Determinata la geometria quantistica degli elettroni nei solidi per la prima volta, sbloccando nuove intuizioni sui materiali quantistici. Questa misurazione potrebbe far avanzare il calcolo quantistico e la scienza dei materiali rivelando proprietà precedentemente teorizzate
Comprendere le proprietà geometriche degli stati quantistici e le loro implicazioni nei fenomeni fisici fondamentali è un aspetto peculiare della fisica contemporanea. Il tensore geometrico quantico (quantum geometric tensor - QGT) è un oggetto fisico centrale in questo senso, codificando informazioni complete sulla geometria dello stato quantico. La parte immaginaria del QGT è la nota curvatura 'well-known Berry', che svolge un ruolo integrale nei fenomeni magnetoelettrici e optoelettronici topologici. La parte reale del QGT è la metrica quantistica, la cui importanza è diventata di recente, dando origine a una nuova serie di fenomeni geometrici quantistici come livelli anomali di Landau, superfluidità a banda piatta, 'excitonic Lamb shifts' e l'effetto 'nonlinear Hall'. Nonostante l'importanza centrale del QGT, le sue misurazioni sperimentali sono state limitate solo ai sistemi artificiali a due livelli.
I fisici e i colleghi del MIT hanno misurato per la prima volta la geometria, o forma, degli elettroni nei solidi a livello quantistico. Gli scienziati sanno da tempo come misurare le energie e le velocità degli elettroni nei materiali cristallini, ma fino ad ora la geometria quantistica di quei sistemi poteva essere dedotta solo teoricamente o talvolta per niente.
Il lavoro, riportato da Nature Physics (1), «apre nuove strade per comprendere e manipolare le proprietà quantistiche dei materiali», afferma il dottor Riccardo Comin (2), professore associato di fisica presso il MIT della classe del 1947 e responsabile del lavoro.
Il dottor Mingu Kang (3) è stato anche invitato a scrivere un Research Briefing di accompagnamento al lavoro, comprese le sue implicazioni, per il giornale Nature Physics.
Uno strano mondo
Nello strano mondo della fisica quantistica, un elettrone può essere descritto sia come un punto nello spazio che come una forma ondulatoria. Al centro del lavoro attuale c'è un oggetto fondamentale noto come funzione d'onda che descrive quest'ultima. «Puoi pensarla come una superficie in uno spazio tridimensionale», afferma Comin.
Esistono diversi tipi di funzioni d'onda, che vanno da quelle semplici a quelle complesse. Pensa a una palla. È analoga a una funzione d'onda semplice o banale. Ora immagina una striscia di Möbius, il tipo di struttura esplorata da MC Escher nella sua arte. È analoga a una funzione d'onda complessa o non banale. E il mondo quantistico è pieno di materiali composti da quest'ultima.
Ma fino ad ora, la geometria quantistica delle funzioni d'onda poteva essere dedotta solo teoricamente, o talvolta per niente. E la proprietà sta diventando sempre più importante man mano che i fisici trovano sempre più materiali quantistici con potenziali applicazioni in tutto, dai computer quantistici ai dispositivi elettronici e magnetici avanzati.
Il team del MIT ha risolto il problema utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia fotoemissione ad angolo risolto, o ARPES. Comin, Kang e alcuni degli stessi colleghi avevano utilizzato la tecnica in altre ricerche. Ad esempio, nel 2022 hanno riferito di aver scoperto la “secret sauce” (4) dietro le proprietà esotiche di un nuovo materiale quantistico noto come metallo kagome. Anche quel lavoro è apparso su Nature Physics. Nel lavoro attuale, il team ha adattato ARPES per misurare la geometria quantistica di un metallo kagome.
Strette collaborazioni
I dottor Kang sottolinea che la nuova capacità di misurare la geometria quantistica dei materiali «deriva dalla stretta cooperazione tra teorici e sperimentali».
Oltre a Kang e Comin, gli altri autori dell'articolo di Nature Physics sono Sunje Kim della Seoul National University (Kim è uno dei primi autori insieme a Kang); Paul M. Neves, studente laureato presso il Dipartimento di Fisica del MIT; Linda Ye della Stanford University; Junseo Jung della Seoul National University; Denny Puntel dell'Università di Trieste; Federico Mazzola del Consiglio Nazionale delle Ricerche e dell'Università Ca' Foscari di Venezia; Shiang Fang di Google DeepMind; Chris Jozwiak, Aaron Bostwick ed Eli Rotenberg del Lawrence Berkeley National Laboratory; Jun Fuji e Ivana Vobornik del Consiglio Nazionale delle Ricerche; Jae-Hoon Park del Max Planck POSTECH/Korea Research Initiative e della Pohang University of Science and Technology; Joseph G. Checkelsky, professore associato di fisica al MIT; e Bohm-Jung Yang della Seoul National University, che ha co-diretto il progetto di ricerca con Comin. Questo lavoro è stato finanziato dall'Air Force Office of Scientific Research, dalla National Science Foundation, dalla Gordon and Betty Moore Foundation, dalla National Research Foundation of Korea, dalla Samsung Science and Technology Foundation, dall'Army Research Office, dal Department of Energy Office of Science, dall'Heising-Simons Physics Research Fellow Program, dalla Tsinghua Education Foundation, dalla struttura NFFA-MUR Italy Progetti Internazionali, dalla Samsung Foundation of Culture e dal Kavli Institute presso la Cornell.
Riferimenti:
(1) Measurements of the quantum geometric tensor in solids
(2) Riccardo Comin
(3) Mingu Kang
(4) Physicists discover “secret sauce” behind exotic properties of a new quantum material
Descrizione foto: Illustrazione della geometria quantistica per una funzione d'onda elettronica. La sfera è mostrata come un'approssimazione locale alla curvatura dell'isosuperficie. - Credit: Laboratorio Comin, MIT.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Physicists measure quantum geometry for first time