量子
物理学家首次测量量子几何
MIT科学家首次测量电子量子几何，为量子材料应用提供新视角。
麻省理工学院的物理学家与合作团队首次在量子层面测量了固体中电子的几何形状。科学界早已掌握测量晶体材料中电子能量和速度的方法，但直到现在，量子几何只能通过理论推测，甚至有时无法推断。
这项研究发表于11月25日的《自然物理》期刊。团队负责人、麻省理工学院1947届职业发展物理学副教授Riccardo Comin表示，这项成果“为理解和操控材料的量子特性开辟了新途径。”
“我们实际上制定了一个蓝图，获取了以前无法获得的全新信息，”Comin说道。他同时隶属于麻省理工材料研究实验室和电子研究实验室。
研究的应用范围不限于特定的量子材料。据论文第一作者、康奈尔大学原子与固体物理实验室Kavli博士后研究员Mingu Kang介绍，该方法可应用于“任何类型的量子材料”。Kang于2023年在麻省理工获得博士学位，此项研究完成于他的研究生阶段。
此外，Kang还为《自然物理》撰写了相关研究简报，讨论该研究及其影响。
一个奇异的世界
在量子物理的奇异世界中，电子既可以是空间中的一个点，也可以表现为波状形态。本研究的核心是一种称为波函数的基本对象，描述了电子的波状形态。Comin解释说：“你可以将其视为三维空间中的一个表面。”
波函数有简单和复杂之分。例如，一个球体类似于简单的波函数，而埃舍尔(M.C. Escher)作品中常见的莫比乌斯环则更接近复杂的非平凡波函数。量子世界中，许多材料正是由后者构成的。
但此前，波函数的量子几何只能通过理论推测，甚至无法得知。而随着越来越多具备应用潜力的量子材料被发现，从量子计算机到先进电子与磁性设备，其量子几何属性也愈发重要。
麻省理工团队借助角分辨光电子能谱(ARPES)技术解决了这一问题。Comin、Kang及其部分同事此前也使用这一技术开展研究。例如，他们于2022年发现了一种被称为“kagome金属”的新型量子材料的“关键奥秘”，该研究同样发表在《自然物理》期刊上。
在这项新研究中，团队改进了ARPES技术，测量了kagome金属的量子几何。
密切合作
Kang强调，这种量子几何测量能力的实现“得益于理论家和实验家的紧密合作。”
COVID疫情也对研究产生了影响。Kang在疫情期间回到韩国，这为他与韩国理论物理学家合作提供了便利。同时，Comin利用疫情期间意大利Elettra国家实验室逐步重开的机会，亲自参与实验操作。他原计划与Kang一同实验，但Kang因确诊COVID未能同行。Comin最终独自完成了实验，得到当地科学家的支持。
“作为教授，我通常负责项目的指导，具体工作由学生和博士后完成。所以这可能是我最后一次直接参与实验的一项研究，”他说道。