Zauważyliśmy tajemniczy kwantowy krajobraz we wnętrzu każdej materii

Wyobraź sobie, że idziesz na spacer. Na zewnątrz domu w świeżym powietrzu możesz zostawić za sobą ściany, ale mimo to istnieją granice, które ograniczają Twój zasięg. W mieście jesteś ograniczony ulicami i chodnikami. Na wsi płoty blokują Twój sposób, a kiedy napotkasz wzgórze, z pewnością poczujesz stromość w swoich nogach.

Teraz pomyśl o elektronie, cząsteczce podstawowej, która przenosi ładunek i zamieszkuje we wszystkich materiałach. Jednym z jego ulubionych zajęć jest bieganie obok innych elektronów, tworząc prądy elektryczne. Ale tak jak podczas spaceru, elektrony nie mogą po prostu robić, co chcą. Faktycznie, przez lata fizycy podejrzewali, że elektrony muszą nawigować po ukrytym krajobrazie kwantowym, który ogranicza ich ruch.

Czy kiedykolwiek zobaczymy ten krajobraz? Jego kształt jest określany przez prawa fizyki kwantowej, podczas gdy jego tekstura jest opisana za pomocą bardzo złożonych i abstrakcyjnych matematycznych – nadzieje nie były wysokie. Jednak ostatnio badacze opublikowali pierwszą pełną mapę tego dotąd niewidocznego obszaru. „Nagle możemy zobaczyć te ukryte tekstury w danych eksperymentalnych” powiedział Riccardo Comin z Massachusetts Institute of Technology, jeden z badaczy, którzy stworzyli mapę.

Wszystko to oferuje nowy sposób na zrozumienie i projektowanie materiałów, co może prowadzić na przykład do superefektywnych przewodów, które przewodzą elektryczność bez oporów. Nowe spojrzenie na to, co tak naprawdę dzieje się wewnątrz materiałów, na pewno doprowadzi do nowych sposobów na ich poprawę.

Nasz świat składa się z „rzeczy”, czy to drewno na krzesła, czy plastik na szczoteczki do zębów, czy złożone materiały tworzące magnetyczne i elektroniczne urządzenia napędzające współczesne życie. Aby zrozumieć zachowanie „rzeczy”, musimy spojrzeć pod ich powierzchnię. Pod nią znajduje się gęste splecenie zderzających się atomów z elektronami między nimi, a to, jak zachowują się ci elektrony, często determinuje właściwości materiału.

Energetyczne pasma Blocha

Zauważalny wysiłek w celu przedstawienia obrazu tego wewnętrznego zgiełku nadmiernego ruszenia powstał w 1929 roku z inicjatywy szwajcarsko-amerykańskiego fizyka Félixa Blocha. Pokazał, że powtarzalny wzór atomów wewnątrz ciała stałego zmusza elektrony do poruszania się między nimi w sposób okresowy, podobnie jak łódź unosząca się i opadająca, unoszona stałym rytmem fal. Zastosował tę wizję do funkcji fal elektronów, równań kodujących wszystkie kwantowe właściwości cząstek. To doprowadziło go do udowodnienia, że funkcje falowe powtarzają się również w przestrzeni, co dało początek całkowicie nowemu obrazowi świata elektronów. Na podstawie jego „funkcji falowej Blocha” elektron nie może mieć dowolnej energii podczas przemieszczania się przez materiał. Te energie są ograniczone do zakresu lub „pasma”. Dzięki pracy Blocha, teraz wiemy, że elektryczny charakter ciała stałego – czy to przewodnik, półprzewodnik czy izolator – zależy od tego, ile elektronów jest zsynchronizowanych w tym samym paśmie. Na przykład, jeśli najwyższe pasmo energetyczne jest tylko częściowo wypełnione elektronami, wciąż jest miejsce dla nich, aby poruszały się i prowadziły prąd, tak jak w przewodniku.

Teoria Blocha wzięła udział w powstaniu współczesnej elektroniki. Jednak jej ramy nie zawsze zgadzały się z rzeczywistością, problem ten tylko narastał w ciągu ostatnich kilku dekad. W latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych fizycy zaczęli badać materiały, takie jak tellurant bizmutu, które działały jako izolatory, ale wykazywały nieoczekiwane prądy na swojej powierzchni. A następnie, w 2018 roku, pojawił się grafen, jednoatomowe arkusze węgla, które prowadziłem elektryczność praktycznie bez oporu, gdy zostały ułożone i skręcone – zjawiska, których teoria Blocha nie potrafiła wyjaśnić.

Ale były też wskazówki co może kryć się w tych materiałach. W latach osiemdziesiątych brytyjski fizyk Michael Berry zdał sobie sprawę, że elektrony mogą poddawać się subtelnej zmianie w swojej funkcji falowej, poruszając się przez układy kwantowe, zwłaszcza w pętlach – jedno z pierwszych wyraźnych sygnałów, że poruszają się po bogatszym i bardziej złożonym krajobrazie kwantowym, niż zakładał Bloch.

Mapowanie kwantowej geometrii elektronu

Inne elementy tej topografii zostały już ustalone. Nawet przed pracą Berry’ego, francuscy fizycy Jean-Pierre Provost i Gérard Vallée położyli pewne podstawy dla jej mapowania, oferując przepis na pomiar odległości między stanami kwantowymi elektronów. Ich praca, wraz z pracą Berry’ego, jest teraz podsumowana przez jedny kluczowy obiekt matematyczny, znany jako „tensor geometryczny kwantów” (QGT). Zawiera on wszystkie klucze do tworzenia tajnego krajobrazu kwantowego, który może wyjaśnić zachowania, których model Blocha nie mógł wytłumaczyć. Śmiałym badaczem mikroświata można go użyć do mapowania ezoterycznego krajobrazu kwantowego, gdzie przebywają elektrony.

Wyobraź sobie, że jesteś zrzucony w nieznane środowisko, jak gęsty las deszczowy lub pustynia falująca piaskiem. Dwa narzędzia mogą pomóc ci zorientować się. Pierwsze to linijka, która określa najkrótszą drogę do celu. Drugie to specjalny kompas, który mówi ci, jak poruszanie się w pętli wpłynie na twoje miejsce. Powiedziałby ci, czy niechcący odwróciłeś się, idąc w kółko z powrotem do punktu początkowego i skończyłeś w innej orientacji. W świecie kwantowym, QGT dostarcza obu tych funkcji (patrz poniższy diagram).