Físicos medem a geometria quântica dos elétrons pela primeira vez: WebCuriosos
Uma nova descoberta pode ajudar os cientistas a resolver alguns dos mistérios do reino quântico.
Pela primeira vez, os físicos foram capazes de medir a “forma” geométrica que um elétron solitário adota ao se mover através de um sólido. É uma conquista que irá desbloquear uma forma totalmente nova de estudar como os sólidos cristalinos se comportam a um nível quântico.
“Essencialmente, desenvolvemos um plano para obter informações completamente novas que não podiam ser obtidas antes”, diz o físico Riccardo Comin do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).
A pesquisa foi liderada pelos físicos Mingu Kang – ex-MIT e agora na Universidade Cornell – e Sunjie Kim, da Universidade Nacional de Seul.
Dentro do Universo físico, a matéria se comporta de maneiras bem descritas pela física clássica.
No entanto, em um nível mais fundamental de interações entre partículas e métodos de medição, as coisas podem ficar um pouco estranhas. Nas escalas mais refinadas, a precisão deve dar lugar a uma descrição mais confusa, representada por ondas de possibilidade conhecidas como mecânica quântica.
Referimo-nos a objetos como os elétrons como partículas, e isso dá a impressão de que eles são como bolinhas minúsculas. Dado o seu tamanho, as propriedades e comportamentos dos elétrons são descritos com muito mais precisão pela sua natureza quântica ondulatória.
Para descrever o aspecto ondulatório dos elétrons, os físicos usam funções de onda: modelos matemáticos que descrevem as propriedades da onda como possibilidades evolutivas de encontrar a partícula em um local específico com características específicas.
Podemos considerar algumas dessas características como um tipo de geometria, muitas vezes não muito diferente de uma curva ou esfera que gira em um número infinito de direções. Outras formas de geometria quântica, como as dos elétrons em uma rede de átomos, são tão complicadas quanto uma Garrafa Klein ou um Tira de Möbius.
Determinando alguns aspectos da bagunça A geometria quântica de um elétron em um sólido já envolveu muitas suposições baseadas em propriedades que os físicos pode medir.
Para medir a geometria quântica dos elétrons, Kang, Jie e seus colegas buscaram a medição de uma propriedade conhecida como tensor geométrico quântico, ou QGT. Esta é uma quantidade física que codifica toda a informação geométrica de um estado quântico, semelhante a a maneira como um holograma bidimensional codifica informações sobre um espaço tridimensional.
A técnica que eles usaram é chamada espectroscopia de fotoemissão com resolução de ânguloem que fótons são disparados contra um material para desalojar elétrons e medir suas propriedades, como polarização, spin e ângulo.
Isto foi direcionado a cristais únicos de uma liga de cobalto-estanho, um material conhecido como metal kagome – um material quântico cujas propriedades a equipe já havia investigado usando a mesma técnica.
Os resultados forneceram aos pesquisadores a primeira medição do QGT em um sólido e, a partir disso, puderam inferir o restante da geometria quântica dos elétrons no metal.
A equipe comparou isso com a geometria quântica derivada teoricamente para o mesmo material, permitindo-lhes determinar a utilidade de estimar a geometria em comparação com medi-la diretamente.
E, dizem eles, sua técnica será aplicável a uma ampla gama de materiais, não apenas à liga de cobalto-estanho usada neste estudo. É um resultado que terá algumas implicações interessantes. Por exemplo, a geometria quântica poderia ser aproveitada para descobrir a supercondutividade em materiais onde ela normalmente não é encontrada.
“A interpretação geométrica da mecânica quântica sustenta muitos avanços recentes na física da matéria condensada,” um anônimo especialista disse Física da Natureza.
“Esses autores foram pioneiros em uma metodologia para acessar experimentalmente o tensor geométrico quântico, que caracteriza fundamentalmente as propriedades geométricas dos estados quânticos. A metodologia desenvolvida é simples, aplicável a vários materiais de estado sólido e tem grande potencial para impulsionar a atividade experimental na busca de compreensão geométrica de novos fenômenos quânticos.”
A pesquisa da equipe foi publicada em Física da Natureza.