Buzz
Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã có thể đo được 'hình dạng' lượng tử mà một electron đơn lẻ thể hiện khi di chuyển qua các chất rắn. Thành tựu này mở ra một hướng nghiên cứu mới về cách thức hoạt động của chất rắn tinh thể ở cấp độ lượng tử.
Theo Riccardo Comin, nhà vật lý thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp đo hoàn toàn mới, cho phép khám phá những thông tin mà trước đây chưa thể xác định được. Nghiên cứu này do Mingu Kang, trước đây làm việc tại MIT và hiện đang công tác tại Đại học Cornell, cùng với Sunjie Kim từ Đại học Quốc gia Seoul, dẫn dắt.
Vật chất trong vũ trụ vật lý thường tuân theo các quy tắc rõ ràng của vật lý cổ điển, nhưng ở cấp độ hạt, mọi thứ trở nên phức tạp hơn, được mô tả bởi cơ học lượng tử với các sóng xác suất thay vì những thực thể cố định. Electron, dù được gọi là 'hạt', thực ra mang tính chất sóng nhiều hơn.
Để mô tả tính chất sóng của electron, các nhà vật lý sử dụng các hàm sóng, những mô hình toán học giúp xác định khả năng xuất hiện của hạt tại một vị trí và thời gian cụ thể. Một số đặc điểm này có thể được hiểu như những hình học phức tạp, từ các hình dạng quen thuộc như đường cong, đến các hình dạng trừu tượng hơn như chai Klein hoặc dải Möbius.
Trước đây, việc xác định hình học lượng tử của electron trong chất rắn thường dựa vào giả định từ các tính chất gián tiếp. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã tìm ra cách đo trực tiếp bằng cách sử dụng một đại lượng gọi là tensor hình học lượng tử (Quantum Geometric Tensor - QGT). QGT mã hóa toàn bộ thông tin hình học của trạng thái lượng tử, tương tự như cách bản đồ hai chiều chứa thông tin về không gian ba chiều.
Nhóm nghiên cứu đã áp dụng kỹ thuật quang phổ quang phát xạ phân giải góc (ARPES), phương pháp này bắn photon vào vật liệu để giải phóng electron, sau đó đo các tính chất như phân cực, spin và góc của chúng. Nghiên cứu này tập trung vào các tinh thể đơn của hợp kim coban-thiếc, một loại kim loại kagome có những đặc tính lượng tử độc đáo.
Kết quả, các nhà khoa học đã lần đầu tiên đo được QGT trong một chất rắn. Từ đó, họ xác định toàn bộ hình học lượng tử của electron trong kim loại này và đối chiếu với các dự đoán lý thuyết.
Phương pháp của nhóm nghiên cứu không chỉ giới hạn trong hợp kim coban-thiếc mà còn có thể áp dụng cho nhiều vật liệu rắn khác. Kết quả nghiên cứu mở ra cơ hội cho những phát hiện mới trong lĩnh vực siêu dẫn, đặc biệt là đối với những vật liệu chưa từng có tính siêu dẫn.
Một chuyên gia từ tạp chí Nature Physics nhận định: "Việc đo lường hình học lượng tử là một bước tiến quan trọng, mở ra khả năng khám phá các hiện tượng lượng tử phức tạp trong vật lý vật chất ngưng tụ. Phương pháp này đơn giản, dễ áp dụng và có tiềm năng lớn để thúc đẩy các nghiên cứu sâu hơn".
Thành tựu này đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về hình học lượng tử, một yếu tố cơ bản trong nhiều tiến bộ gần đây trong vật lý vật chất ngưng tụ. Các nhà nghiên cứu tin rằng, kỹ thuật này sẽ là công cụ quan trọng để khám phá và phát triển các hiện tượng lượng tử mới, thay đổi cách chúng ta nhìn nhận thế giới vi mô.
Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Physics.
