MIT-Physiker und Kollegen haben zum ersten Mal die Geometrie oder Form von Elektronen in Festkörpern auf Quantenebene gemessen. Wissenschaftler wissen seit langem, wie man die Energien und Geschwindigkeiten von Elektronen in kristallinen Materialien misst, doch bisher konnte die Quantengeometrie dieser Systeme nur theoretisch oder manchmal überhaupt nicht abgeleitet werden.
Die Arbeit, berichtet in der Ausgabe vom 25. November von Naturphysik„eröffnet neue Wege zum Verständnis und zur Manipulation der Quanteneigenschaften von Materialien“, sagt Riccardo Comin, außerordentlicher Professor für Karriereentwicklung im Jahr 1947 am MIT für Physik und Leiter der Arbeit.
„Wir haben im Wesentlichen einen Plan entwickelt, um völlig neue Informationen zu erhalten, die vorher nicht erhältlich waren“, sagt Comin, der auch dem Materials Research Laboratory und dem Research Laboratory of Electronics des MIT angehört.
Die Arbeit könne auf „jede Art von Quantenmaterial angewendet werden, nicht nur auf das, mit dem wir gearbeitet haben“, sagt Mingu Kang, Erstautorin des Nature Physics-Artikels und Kavli-Postdoktorandin am Cornell’s Laboratory of Atomic and Solid State Physics. Kang, MIT Ph.D. 2023, führte die Arbeit als Doktorand am MIT durch.
Kang wurde auch eingeladen, einen Begleittext zu schreiben Forschungsbriefing über die Arbeit, einschließlich ihrer Auswirkungen, für die Ausgabe vom 25. November Naturphysik.
Eine seltsame Welt
In der seltsamen Welt der Quantenphysik kann ein Elektron sowohl als Punkt im Raum als auch als wellenartige Form beschrieben werden. Im Zentrum der aktuellen Arbeit steht ein grundlegendes Objekt, eine sogenannte Wellenfunktion, die letztere beschreibt. „Man kann es sich wie eine Oberfläche in einem dreidimensionalen Raum vorstellen“, sagt Comin.
Es gibt verschiedene Arten von Wellenfunktionen, von einfach bis komplex. Denken Sie an einen Ball. Das ist analog zu einer einfachen oder trivialen Wellenfunktion. Stellen Sie sich nun einen Möbius-Streifen vor, die Art von Struktur, die MC Escher erforscht hat in seiner Kunst. Das ist analog zu einer komplexen oder nicht trivialen Wellenfunktion. Und die Quantenwelt ist voller Materialien, die aus letzteren bestehen.
Doch bisher ließ sich die Quantengeometrie von Wellenfunktionen nur theoretisch oder manchmal gar nicht erschließen. Und die Eigenschaft wird immer wichtiger, da Physiker immer mehr Quantenmaterialien mit potenziellen Anwendungen in allen Bereichen finden, von Quantencomputern bis hin zu fortschrittlichen elektronischen und magnetischen Geräten.
Das MIT-Team löste das Problem mit einer Technik namens winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie (ARPES). Comin, Kang und einige derselben Kollegen hatten die Technik in anderen Forschungen verwendet. Im Jahr 2022 berichteten sie beispielsweise über die Entdeckung des „geheimen Rezepts“ hinter den exotischen Eigenschaften eines neuen Quantenmaterials namens Kagome-Metall. Auch dieses Werk erschien in Naturphysik.
In der aktuellen Arbeit passte das Team ARPES an, um die Quantengeometrie eines Kagome-Metalls zu messen.
Enge Zusammenarbeit
Kang betont, dass die neue Fähigkeit, die Quantengeometrie von Materialien zu messen, „auf der engen Zusammenarbeit zwischen Theoretikern und Experimentatoren beruht“.
Auch die COVID-Pandemie hatte Auswirkungen. Kang, der aus Südkorea stammt, war während der Pandemie in diesem Land ansässig. „Das erleichterte eine Zusammenarbeit mit Theoretikern in Südkorea“, sagt Kang, ein Experimentator.
Die Pandemie führte auch zu einer ungewöhnlichen Chance für Comin. Er reiste nach Italien, um bei der Durchführung der ARPES-Experimente an der italienischen Lichtquelle Elettra, einem nationalen Labor, mitzuhelfen. Das Labor war während der Pandemie geschlossen, begann aber gerade wieder zu öffnen, als Comin eintraf.
Als Kang positiv auf COVID getestet wurde, war er jedoch allein und konnte sich ihm nicht anschließen. Daher führte er die Experimente versehentlich selbst mit Unterstützung lokaler Wissenschaftler durch.
„Als Professor leite ich Projekte, aber Studierende und Postdocs führen die Arbeit tatsächlich durch. Das ist also im Grunde die letzte Studie, bei der ich tatsächlich zu den Experimenten selbst beigetragen habe“, sagt er.
Weitere Informationen:
Mingu Kang et al., Messungen des quantengeometrischen Tensors in Festkörpern, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02678-8
Quantengeometrie in Festkörpern gemessen mit photoemittierten Elektronen, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02681-z