Odległość kwantowa to miara podobieństwa lub różnic między dwoma stanami kwantowymi. W tej niezwykłej skali wartość 1 oznacza stany identyczne, a 0 – całkowicie przeciwne. Choć pojęcie to funkcjonuje w fizyce teoretycznej od dekad, jego praktyczny pomiar w materiale stałym był dotąd uważany za niemal niemożliwy. Obserwacje elektronów same w sobie są wyzwaniem, a uchwycenie ich subtelnej struktury geometrycznej to jeszcze wyższy poziom trudności.
Aby pokonać te trudności, międzynarodowy zespół badaczy sięgnął po fosfor czarny – warstwowy kryształ pierwiastkowy o prostym, dobrze poznanym układzie atomowym. Jego przejrzysta struktura czyni go idealnym kandydatem do badania geometrii kwantowej elektronów. Kluczowym narzędziem była spektroskopia fotoemisyjna kątowo-rozdzielcza (ARPES), zaawansowana metoda mapowania energii i pędu elektronów w materiale.
Czytaj także: Naukowcy stworzyli zupełnie nowy stan kwantowy. Krok do stworzenia internetu kwantowego
Naukowcy poszli jednak krok dalej. Analizując, jak wyniki ARPES zmieniają się w zależności od polaryzacji padającego światła, odtworzyli tzw. teksturę pseudospinową elektronów w paśmie walencyjnym kryształu. Pseudospin to wewnętrzna cecha kwantowa elektronów, przypominająca pewnego rodzaju orientację, która zmienia się w przestrzeni pędu. Aby uzyskać tak dokładne dane, badacze wykorzystali promieniowanie synchrotronowe z ośrodka Advanced Light Source w USA, generującego wyjątkowo intensywne i precyzyjnie kontrolowane wiązki światła.
Zgromadzone w ten sposób dane pozwoliły po raz pierwszy w historii obliczyć pełny tensor metryki kwantowej elektronów Blocha – cząstek, których ruch jest determinowany przez okresową strukturę kryształu. Ten matematyczny obiekt szczegółowo opisuje geometrię stanów kwantowych i może być kluczem do zrozumienia niezwykłych właściwości materiałów, takich jak nadprzewodniki wysokotemperaturowe.
Czytaj także: Gigantyczne osiągnięcie Google. To może być przełom w świecie komputerów kwantowych
W przyszłości podobne pomiary mogą stać się nieocenionym narzędziem w projektowaniu komputerów kwantowych odpornych na błędy. W takich systemach stabilność delikatnych stanów kwantowych jest kluczowa, a precyzyjna znajomość ich geometrii może pomóc w doborze optymalnych materiałów. Na razie metoda została przetestowana tylko na fosforze czarnym w warunkach laboratoryjnych, ale badacze są przekonani, że można ją zastosować także do innych materiałów. To krok w stronę pełniejszego poznania ukrytej geometrii materii i wykorzystania jej w praktycznych technologiach przyszłości.