Электроны танцуют в искривленном пространстве: квантовые материалы прячут гравитационные трюки и обещают сверхскорости

Как добиться сверхбыстрой обработки информации или передачи энергии без утрат? Для этого специалисты в науке и промышленности обращаются к квантовым веществам, подчиняющимся правилам микромира.

Фото: commons.wikimedia.org by Bakanovtomsk, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Перечитывая учебник по оптике на закате

Создание подобных веществ требует глубокого осмысления процессов на атомном уровне, многие из которых остаются загадкой.

Группа из Женевского университета (UNIGE), работая совместно с Университетом Салерно и Институтом CNR-SPIN в Италии, достигла значительного прогресса, выявив скрытую геометрию — ранее чисто гипотетическую, — которая отклоняет пути электронов аналогично тому, как гравитация деформирует траекторию света. Эти выводы, опубликованные в Science, прокладывают путь к инновациям в квантовой электронике.

Будущие технологии опираются на высокоэффективные субстанции с уникальными характеристиками, основанными на принципах квантовой механики. В центре этой трансформации — анализ вещества на микроуровне, что составляет основу квантовой физики. В прошлом столетии изучение атомов, электронов и фотонов в различных средах привело к изобретению транзисторов и, в итоге, к современным вычислительным устройствам.

Новые квантовые эффекты, не укладывающиеся в традиционные схемы, продолжают обнаруживаться и сейчас. Недавние работы предполагают возникновение геометрии в определенных веществах при наблюдении за множеством частиц. Эта геометрия, похоже, меняет маршруты электронов в этих веществах — подобно тому, как эйнштейновская гравитация изгибает световые лучи.

От гипотезы к реальному наблюдению

Эта геометрия, называемая квантовой метрикой, отражает искривление квантового пространства, по которому перемещаются электроны. Она играет важную роль в многочисленных микроявлениях. Однако ее выявление и оценка влияния остаются сложной задачей.

Профессор Андреа Кавилья, возглавляющий отдел физики квантовых веществ на факультете естественных наук в UNIGE, пояснил, что идея квантовой метрики возникла около 20 лет назад, но долгое время считалась лишь теоретической моделью. Только недавно ученые начали исследовать ее реальное воздействие на характеристики веществ.

Благодаря свежим экспериментам команда из Университета Неаполя имени Фридриха II, совместно с доцентом Кармине Ортиксом из Университета Салерно, идентифицировала квантовую метрику на стыке двух оксидов — титаната стронция и алюмината лантана, известного квантового вещества. Ведущий автор Джакомо Сала, научный сотрудник того же отдела в UNIGE, отметил, что ее наличие можно заметить по отклонениям траекторий электронов под комбинированным влиянием квантовой метрики и сильных магнитных полей, действующих на твердые тела.

Открытие перспектив для технологий

Это наблюдение позволяет точнее описать оптические, электронные и транспортные качества вещества. Исследовательская группа также показала, что квантовая метрика — неотъемлемое свойство многих веществ, вопреки прежним мнениям.

Кавилья заключил, что эти находки расширяют возможности для анализа и применения квантовой геометрии в разнообразных веществах, что критично для будущей электроники на терагерцовых частотах (триллион герц), а также для сверхпроводимости и взаимосвязей между светом и материей.

Уточнения

Жене́вский университе́т — государственный университет в Женеве, Швейцария. Университет основан в 1559 году как теологическая семинария Жаном Кальвином.