Các nhà vật lý lần đầu tiên đo được hình học lượng tử của electron

Theo nhà vật lý Riccardo Comin thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp đo hoàn toàn mới, cho phép tiếp cận các thông tin mà trước đây không thể xác định được. Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Mingu Kang, trước đây làm việc tại MIT và hiện thuộc Đại học Cornell, cùng với Sunjie Kim từ Đại học Quốc gia Seoul.

Vật chất trong vũ trụ vật lý thường tuân theo các quy tắc rõ ràng của vật lý cổ điển. Nhưng ở cấp độ hạt, mọi thứ trở nên phức tạp, được mô tả bởi cơ học lượng tử với các sóng xác suất thay vì những thực thể cố định. Electron, tuy được gọi là "hạt", thực ra có tính chất giống sóng nhiều hơn.

Để mô tả tính chất sóng của electron, các nhà vật lý sử dụng các hàm sóng - các mô hình toán học xác định khả năng một hạt xuất hiện tại một vị trí cụ thể với những đặc điểm cụ thể. Một số đặc điểm này có thể được hiểu như một loại hình học phức tạp, từ những hình dạng quen thuộc như đường cong, đến những hình dạng trừu tượng hơn như chai Klein hoặc dải Möbius.

Trước đây, việc xác định hình học lượng tử của electron trong chất rắn thường dựa nhiều vào giả định từ các tính chất gián tiếp. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã tìm cách đo trực tiếp bằng cách nhắm đến một đại lượng gọi là tensor hình học lượng tử (Quantum Geometric Tensor - QGT). QGT là một đại lượng mã hóa toàn bộ thông tin hình học của trạng thái lượng tử, tương tự như cách bản đồ hai chiều chứa thông tin về không gian ba chiều.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật quang phổ quang phát xạ phân giải góc (ARPES). Phương pháp này bắn photon vào vật liệu để giải phóng electron, sau đó đo các tính chất như phân cực, spin và góc của chúng. Nghiên cứu tập trung vào các tinh thể đơn của hợp kim coban-thiếc, một loại kim loại kagome có đặc tính lượng tử độc đáo.

Kết quả, các nhà khoa học đã lần đầu tiên đo được QGT trong một chất rắn. Từ đây, họ suy ra toàn bộ hình học lượng tử của electron trong kim loại này, đồng thời so sánh kết quả thực nghiệm với các dự đoán lý thuyết.

Phương pháp của nhóm nghiên cứu không chỉ giới hạn ở hợp kim coban-thiếc mà còn có thể áp dụng cho nhiều vật liệu trạng thái rắn khác. Kết quả nghiên cứu có thể mở đường cho những khám phá mới trong lĩnh vực siêu dẫn, đặc biệt ở các vật liệu mà tính siêu dẫn chưa từng được tìm thấy.

Một chuyên gia từ tạp chí Nature Physics nhận định: "Việc đo hình học lượng tử là một bước tiến quan trọng, giúp khám phá các hiện tượng lượng tử phức tạp trong vật lý vật chất ngưng tụ. Phương pháp luận này đơn giản, dễ áp dụng và có tiềm năng lớn để thúc đẩy những nghiên cứu sâu hơn".

Thành tựu này đánh dấu một bước ngoặt trong việc hiểu rõ hơn về hình học lượng tử - yếu tố nền tảng của nhiều tiến bộ gần đây trong vật lý vật chất ngưng tụ. Các nhà nghiên cứu tin rằng, kỹ thuật này sẽ là công cụ quan trọng để khám phá và phát triển các hiện tượng lượng tử mới, góp phần thay đổi cách chúng ta hiểu về thế giới vi mô.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Physics.