Físicos do MIT e colegas mediram pela primeira vez a geometria, ou forma, de elétrons em sólidos no nível quântico. Cientistas sabem há muito tempo como medir as energias e velocidades de elétrons em materiais cristalinos, mas até agora, a geometria quântica desses sistemas só podia ser inferida teoricamente, ou às vezes nem sequer podia ser inferida.

O trabalho, relatado na edição de 25 de novembro da Nature Physics , "abre novos caminhos para a compreensão e manipulação das propriedades quânticas dos materiais", diz Riccardo Comin, professor associado de desenvolvimento de carreira em física da turma de 1947 do MIT e líder do trabalho.

"Nós basicamente desenvolvemos um projeto para obter algumas informações completamente novas que não podiam ser obtidas antes", diz Comin, que também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais e ao Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT.

O trabalho poderia ser aplicado a "qualquer tipo de material quântico, não apenas aquele com o qual trabalhamos", diz Mingu Kang, primeiro autor do artigo da Nature Physics e bolsista de pós-doutorado Kavli no Laboratório de Física Atômica e de Estado Sólido de Cornell. Kang, Ph.D. do MIT em 2023, conduziu o trabalho como aluno de pós-graduação no MIT.

Kang também foi convidado a escrever um Research Briefing sobre o trabalho, incluindo suas implicações, para a edição de 25 de novembro da Nature Physics .

No estranho mundo da física quântica, um elétron pode ser descrito tanto como um ponto no espaço quanto como uma forma ondulatória. No cerne do trabalho atual está um objeto fundamental conhecido como função de onda que descreve a última. "Você pode pensar nisso como uma superfície em um espaço tridimensional", diz Comin.

Existem diferentes tipos de funções de onda, que vão das simples às complexas. Pense em uma bola. Isso é análogo a uma função de onda simples ou trivial. Agora imagine uma fita de Mobius, o tipo de estrutura explorada por MC Escher em sua arte . Isso é análogo a uma função de onda complexa ou não trivial. E o mundo quântico é preenchido com materiais compostos desta última.

Mas até agora, a geometria quântica das funções de onda só podia ser inferida teoricamente, ou às vezes nem sequer podia ser inferida. E a propriedade está se tornando cada vez mais importante à medida que os físicos encontram mais e mais materiais quânticos com aplicações potenciais em tudo, desde computadores quânticos até dispositivos eletrônicos e magnéticos avançados.

A equipe do MIT resolveu o problema usando uma técnica chamada espectroscopia de fotoemissão de resolução angular , ou ARPES. Comin, Kang e alguns dos mesmos colegas usaram a técnica em outras pesquisas. Por exemplo, em 2022, eles relataram a descoberta do "molho secreto" por trás das propriedades exóticas de um novo material quântico conhecido como metal kagome. Esse trabalho também apareceu na Nature Physics .

No trabalho atual, a equipe adaptou o ARPES para medir a geometria quântica de um metal kagome.

Kang enfatiza que a nova capacidade de medir a geometria quântica dos materiais "vem da estreita cooperação entre teóricos e experimentalistas".

A pandemia da COVID também teve um impacto. Kang, que é da Coreia do Sul, estava baseado naquele país durante a pandemia. "Isso facilitou uma colaboração com teóricos na Coreia do Sul", diz Kang, um experimentalista.

A pandemia também levou a uma oportunidade incomum para Comin. Ele viajou para a Itália para ajudar a executar os experimentos ARPES no Italian Light Source Elettra, um laboratório nacional. O laboratório foi fechado durante a pandemia, mas estava começando a reabrir quando Comin chegou.

Ele se viu sozinho, no entanto, quando Kang testou positivo para COVID e não pôde se juntar a ele. Então, ele inadvertidamente conduziu os experimentos sozinho com o apoio de cientistas locais.

"Como professor, lidero projetos, mas os alunos e pós-doutores realmente realizam o trabalho. Então, este é basicamente o último estudo em que realmente contribuí para os experimentos em si", ele diz.