Ученые обнаружили скрытую квантовую геометрию, которая искривляет электроны

Визуализация того, как скрытая геометрия формирует движение электронов в квантовых материалах. Электроны, движущиеся против потока, испытывают дополнительное сопротивление, которое раскрывает квантовую метрику. Автор: © Xavier Ravinet – UNIG

Как можно обрабатывать данные со скоростью молнии или проводить электричество без потерь? Для достижения этого ученые и промышленность 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 важный шаг вперед, обнаружив скрытую геометрию — до сих пор чисто теоретическую — которая искажает траектории электронов подобно тому, как гравитация искривляет путь света. Эта работа, опубликованная в журнале Science, открывает новые перспективы для квантовой электроники.

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

Сегодня продолжают открываться новые квантовые явления, которые бросают вызов установленным моделям. Недавние исследования предполагают возможное возникновение геометрии внутри определенных материалов при наблюдении огромного 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 crucial роль во многих явлениях на микроскопическом уровне материи. Однако обнаружение ее присутствия и эффектов остается серьезной проблемой.

«Концепция квантовой метрики существует около 20 лет, но долгое время считалась чисто теоретической конструкцией. 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 под совместным 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.

Открытие перспектив для будущих технологий

Наблюдение этого явления позволяет более точно охарактеризовать оптические, электронные и транспортные свойства материала. 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 спектре материалов, с серьезными последствиями для будущей электроники, работающей на терагерцовых частотах (триллион герц), а также для сверхпроводимости и взаимодействия света с материей», — заключает Андреа Кавилья.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Женевы.

Giacomo Sala, Maria Teresa Mercaldo, Klevis Domi, Stefano Gariglio, Mario Cuoco, Carmine Ortix, Andrea D. Caviglia. The quantum metric of electrons with spin-momentum locking. Science, 2025; 389 (6762): 822 DOI: 10.1126/science.adq3255