历史性的飞跃：麻省理工学院物理学家首次测量量子几何

这项工作揭示了理解和操纵材料中电子的新方法。

麻省理工学院的物理学家与同事们合作，首次在量子水平上测量了固体中电子的几何形状。虽然科学家们长期以来一直能够测量晶体材料中电子的能量和速度，但到目前为止，这些系统的量子几何形状仍然是理论上的，或者在某些情况下，完全难以捉摸。

这项工作最近发表在《自然物理学》杂志上，“为理解和操纵材料的量子特性开辟了新的途径，”麻省理工学院1947届职业发展物理学副教授、这项工作的负责人里卡多·科明（Riccardo Comin）说。

“我们基本上已经制定了一个蓝图，可以获得一些以前无法获得的全新信息，”里卡多·科明说，他也隶属于麻省理工学院材料研究实验室和电子研究实验室。这项工作可以应用于“任何种类的量子材料，而不仅仅是我们研究的那种，”《自然物理》论文的第一作者、康奈尔大学原子与固体物理实验室的卡夫利博士后研究员Mingu Kang表示，这项工作可以应用于“任何类型的量子材料，而不仅仅是我们研究过的材料”。

Mingu Kang还受邀在11月25日的《自然物理》杂志上撰写了一篇关于这项工作的研究简报，包括它的意义。

一个奇怪的世界

在量子物理的奇异世界里，电子既可以被描述为空间中的一个点，也可以被描述为波状。当前工作的核心是一个被称为描述后者的波函数的基本对象。“你可以把它想象成三维空间中的一个表面，”里卡多·科明说。

波函数有不同的类型，从简单的到复杂的。想一个球。这类似于一个简单的，或平凡的波函数。现在想象一个莫比乌斯带，M.C.埃舍尔在他的艺术中探索的那种结构。这类似于一个复波函数，或者非平凡波函数。而量子世界充满了由后者组成的物质。

但到目前为止，波函数的量子几何只能从理论上推断出来，有时根本无法推断出来。随着物理学家发现越来越多具有潜在应用的量子材料，从量子计算机到先进的电子和磁性设备，这种特性变得越来越重要。

麻省理工学院的研究小组用一种叫做角分辨光谱学（ARPES）的技术解决了这个问题。里卡多·科明、Kang和一些同事曾在其他研究中使用过这种技术。例如，在2022年，他们报告发现了一种被称为kagome金属的新量子材料的奇异特性背后的“秘密酱料”。这项研究也发表在《自然物理学》上。在目前的工作中，该团队采用ARPES来测量kagome金属的量子几何形状。

密切的合作

Kang强调，测量材料量子几何的新能力“来自理论家和实验家之间的密切合作”。

新冠疫情也产生了影响。来自韩国的Kang在大流行期间住在韩国。“这促进了与韩国理论家的合作，”实验学家Kang说。

这场大流行也给科明带来了一个不寻常的机会。他前往意大利帮助在意大利国家实验室Elettra光源帮助运行ARPES实验。该实验室在大流行期间关闭，但当科明到达时，该实验室开始重新开放。然而，当Kang的新冠病毒检测呈阳性并且无法与他一起时，他发现自己孤身一人。因此，他无意中在当地科学家的支持下亲自进行了实验。他笑着说：“作为一名教授，我领导项目，但实际上是学生和博士后开展工作。所以这基本上是我真正为实验本身做出贡献的最后一项研究。”

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