Квантовая геометрия искажает движение электронов, открывая новые горизонты для электроники

Оптическое изображение двух паттернированных устройств Холла, ориентированных вдоль ортогональных направлений на поверхности SrTiO₃. Зеленая область указывает положение и форму устройств. Обратите внимание, что слой LaAlO₃ неотличим глазом от подложки. Черная масштабная полоса соответствует 60 мкм. Автор: Science (2025). DOI: 10.1126/science.adq3255

Как можно обрабатывать данные со скоростью молнии или проводить электричество без потерь? Для достижения этого ученые и индустрия обращаются к квантовым материалам, управляемым законами бесконечно малого. Проектирование таких материалов требует детального понимания атомных явлений, большая часть которых остается неисследованной.

Команда из Женевского университета (UNIGE) в сотрудничестве с Университетом Салерно и Институтом CNR-SPIN (Италия) сделала большой шаг вперед, обнаружив скрытую геометрию — до сих пор чисто теоретическую — которая искажает траектории электронов так же, как гравитация искривляет путь света. Работа, опубликованная в Science, открывает новые пути для квантовой электроники.

Будущие технологии зависят от высокопроизводительных материалов с беспрецедентными свойствами, укорененными в квантовой физике. В основе этой революции лежит изучение материи на микроскопическом масштабе — самой сути квантовой физики. В прошлом веке исследование атомов, электронов и фотонов внутри материалов привело к созданию транзисторов и, в конечном счете, к современным вычислениям.

Новые квантовые явления, бросающие вызов установленным моделям, все еще открываются сегодня. Недавние исследования предполагают возможное возникновение геометрии внутри определенных материалов, когда наблюдаются огромные количества частиц. Эта геометрия, по-видимому, искажает траектории электронов в этих материалах — подобно тому, как гравитация Эйнштейна искривляет путь света.

От теории к наблюдению

Известная как квантовая метрика, эта геометрия отражает кривизну квантового пространства, в котором движутся электроны. Она играет решающую роль во многих явлениях на микроскопическом масштабе материи. Однако обнаружение ее присутствия и эффектов остается серьезной проблемой.

«Концепция квантовой метрики насчитывает около 20 лет, но долгое время она рассматривалась как чисто теоретическая конструкция. Только в последние годы ученые начали исследовать ее ощутимые эффекты на свойства материи», — объясняет Андреа Кавилья, профессор и директор Департамента физики квантовой материи на факультете науки UNIGE.

Благодаря недавней работе команда под руководством исследователя UNIGE в сотрудничестве с Кармине Ортиксом, доцентом кафедры физики Университета Салерно, обнаружила квантовую метрику на границе раздела двух оксидов — титаната стронция и алюмината лантана — хорошо известного квантового материала.

«Ее присутствие можно выявить, наблюдая, как искажаются траектории электронов подcombined влиянием квантовой метрики и интенсивных магнитных полей, приложенных к твердым телам», — объясняет Джакомо Сала, научный сотрудник Департамента физики квантовой материи на факультете науки UNIGE и ведущий автор исследования.

Наблюдение этого явления позволяет охарактеризовать оптические, электронные и транспортные свойства материала с большей точностью. Исследовательская группа также демонстрирует, что квантовая метрика является внутренним свойством многих материалов — вопреки предыдущим предположениям.

«Эти открытия открывают новые пути для исследования и использования квантовой геометрии в широком диапазоне материалов, с серьезными последствиями для будущей электроники, работающей на терагерцовых частотах (триллион герц), а также для сверхпроводимости и взаимодействий света с материей», — заключает Кавилья.

Больше информации: Джакомо Сала и др., Квантовая метрика электронов со спиново-импульсной блокировкой, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adq3255

Источник: University of Geneva

Интересный факт: Квантовая метрика — это математический объект, который описывает «геометрию» квантовых состояний. В отличие от обычной метрики, которая измеряет расстояния в физическом пространстве, квантовая метрика измеряет «расстояния» между различными квантовыми состояниями системы. Это фундаментальное понятие в современной квантовой физике, которое находит применение не только в материаловедении, но и в квантовых вычислениях и квантовой информации.