Физики десятилетиями обсуждали так называемое квантовое расстояние — способ измерить, насколько похожи или различны два квантовых состояния. В этой шкале значение «1» означает полную идентичность состояний, а «0» — их абсолютную противоположность. Однако прямое измерение этого параметра в реальных материалах оставалось недостижимым: для этого нужно не только «увидеть» электроны, но и понять их тонкую геометрию на квантовом уровне, что чрезвычайно сложно в твёрдых телах.
Впервые международная команда исследователей смогла экспериментально измерить квантовое расстояние электронов в реальном кристалле. По словам профессора физики Университета Ёнсе (Сеул) Кын Су Кима, этот результат важен не только для понимания необычных квантовых явлений в твёрдых телах, включая высокотемпературную сверхпроводимость, но и для развития технологий отказоустойчивых квантовых вычислений.
В качестве модельного материала учёные выбрали чёрный фосфор — элементный слоистый кристалл с простой и хорошо изученной структурой, что сделало его подходящим для изучения квантовой геометрии электронов.
Для измерений использовалась спектроскопия фотоэмиссии с угловым разрешением (ARPES), позволяющая картировать поведение электронов в веществе. Дополнительно команда анализировала, как результаты менялись при изменении поляризации света, что позволило восстановить псевдоспиновую текстуру электронов в валентной зоне.
В упрощённом виде это означает, что исследователи проследили, как внутреннее квантовое свойство электронов меняется в пространстве импульсов — на «карте» всех возможных состояний движения. Для столь точных измерений потребовалось синхротронное излучение из Advanced Light Source в США, одного из самых передовых источников настраиваемых пучков света высокой интенсивности.
Из полученных данных удалось напрямую вычислить квантовое расстояние и, что ещё важнее, полный квантовый метрический тензор — математическое описание геометрии квантовых состояний. Впервые этот параметр был измерен для блоховских электронов в твёрдом теле.
Авторы подчёркивают, что это открытие может помочь объяснить природу необычных свойств материалов, например, сверхпроводимости без сопротивления или проводимости при высоких температурах. В перспективе оно способно направить разработку более совершенных полупроводников, сверхпроводников и практических квантовых технологий.
Пока метод отработан только на чёрном фосфоре в лабораторных условиях. Применение его к более сложным материалам, особенно с сильным взаимодействием электронов, станет серьёзным вызовом. Учёные планируют расширить работу на другие кристаллические системы.