Физики совершили прорыв, впервые измерив «форму» электронов, движущихся в твердом кристалле. Это достижение, возглавляемое исследователями из Массачусетского технологического института (MIT), может кардинально изменить наше понимание и использование электронов, лежащих в основе всей современной электроники.
В нашем постоянно подключенном мире электроны неустанно мчатся по проводам, чипам и экранам, освещая наши дома и питая дата-центры. Однако этот невидимый поток энергии имеет свою цену: растущее потребление электроэнергии и нагрузка на электросети. Новое открытие обещает найти способы повысить эффективность использования каждого электрона.
Международная команда ученых применила метод фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES), чтобы зафиксировать квантовую геометрию электронов в так называемом «кагомском металле». Вместо того чтобы рассматривать электрон как простую точку, исследователи смогли экспериментально подтвердить его волновую природу, описывающую, как электрон распространяется и изгибается внутри кристаллической решетки. Результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, впервые напрямую реконструируют эту геометрию в реальном материале.
«Эти результаты открывают новые пути для понимания и манипулирования квантовыми свойствами материалов», — заявил Риккардо Комин, ведущий физик MIT. Он также подчеркнул, что новый метод предоставляет «чертеж для получения совершенно новой информации, которая ранее была недоступна».
Проще говоря, команда изучает формы, которые очерчивают электронные волны. Простая волновая функция может напоминать гладкий пузырь, тогда как более сложные ведут себя как петли с изгибами, подобно ленте Мёбиуса. Многие квантовые материалы построены на основе таких сложных паттернов, которые порождают необычные явления, включая сверхпроводимость и странное магнитное поведение.
Эксперименты проводились на кагомском металле — семействе соединений, где атомы расположены в виде узора из смежных треугольников, напоминающего традиционное японское плетение. Такая геометрия заставляет электроны двигаться непредсказуемым образом и может создавать «плоские энергетические зоны», где частицы концентрируются на одном энергетическом уровне и сильно взаимодействуют.
Исследования последних лет показали, что кагомские металлы могут обладать сверхпроводимостью, зарядовым порядком и другими коллективными фазами, особенно чувствительными к квантовой геометрии. Метод ARPES заключается в облучении кристалла интенсивным светом, который выбивает электроны с его поверхности. Детекторы фиксируют энергию, направление и спин вылетающих электронов. На основе этих данных команда может реконструировать, как электроны были расположены и двигались внутри материала, включая тонкие изгибы, определяющие их квантовую форму.
Этот сложный подход требует мощных источников света и высокостабильных приборов, но он позволяет получить своего рода трехмерную карту поведения электронов, которая до сих пор была недостижима.
Почему это важно для планеты?
На первый взгляд, разговоры о волновых функциях и кагомских решетках могут показаться далекими от повседневных забот, таких как размер счета за электричество или летняя жара, когда кондиционеры и серверы перегружают сеть. Однако измеряемая в этой работе геометрия напрямую связана с тем, насколько легко текут электроны, насколько сильно они взаимодействуют и сколько энергии теряют в виде тепла.
Исследователи рассматривают квантовую геометрию как ключевой ингредиент для разработки будущих сверхпроводников и сверхэффективных электронных компонентов, которые будут перемещать заряд с минимальным сопротивлением. Такая эффективность — не просто лабораторная причуда. Сектор информационных и коммуникационных технологий уже потребляет около 4% мирового производства электроэнергии.
По материалам: ecoticias.com