Физики построили карту из ничего — и доказали, что это «ничего» установило всё

Физики сделали ещё один шаг к разгадке тайн квантового мира: впервые они смогли составить «карту» скрытого ландшафта волновой функции кристалла — основы, на которой покоится вся квантовая механика.

В микромире частицы могут находиться одновременно в нескольких местах — их состояние размазано по пространству, как волна. Волновая функция показывает, где частица, скорее всего, будет обнаружена. Но сама попытка её измерить приводит к «схлопыванию» этой волны — и частица оказывается в одной конкретной точке. Долгое время это делало полную картину волновой функции недоступной. Но в 1980-х годах появились первые способы её косвенного измерения — а теперь учёные пошли ещё дальше: они начали расшифровывать не только поведение отдельных частиц, но и целых материалов.

«Сейчас мы переживаем вторую квантовую революцию », — говорит Риккардо Комин, физик из MIT, один из лидеров этого направления. Новая концепция предполагает, что волновая функция ведёт себя как некий объект, блуждающий по невидимому рельефу — квантовой геометрии вещества. Холмы и впадины этого скрытого пространства определяют, как может меняться квантовое состояние и в какие формы материал способен переходить.

Представьте себе стрелку, которая указывает на состояние частицы. Если возможны два варианта — скажем, «вверх» и «вниз» — стрелка может указывать куда-то между ними, отражая вероятность каждого. Когда таких состояний больше, стрелка «живёт» в многомерном пространстве, где каждый параметр (температура, магнитное поле и прочее) влияет на её направление. И если нанести все возможные изменения на карту, то эта карта будет напоминать горный рельеф: в одних местах волновая функция меняется резко (крутые склоны), в других — почти не меняется (равнины).

Чтобы описать этот рельеф, используется так называемая квантовая метрика — математическая структура, которая указывает, насколько сильно отклоняется волновая функция при малейших изменениях условий. Она дополняет другую важную характеристику — кривизну Берри. Эта величина показывает, как квантовое состояние «крутится» при возвращении к исходным условиям. Если, совершив такой замкнутый путь, система оказывается в новом состоянии — это признак того, что материал имеет топологическую природу. Именно эта идея объяснила множество странных эффектов в материалах и в 2016 году принесла Нобелевскую премию.

В лабораториях это выглядит по-настоящему завораживающе. Например, двумерные кристаллы, состоящие из атомов в плоской решётке, ведут себя так, будто их квантовое состояние движется по поверхности бублика — тора. В разных точках этого тора стрелка волновой функции может внезапно «перепрыгивать», как если бы её подталкивали невидимые заряды. Это и есть «призрачное поле», обнаруженное в 1980-х. Оно создаёт силу, которой на самом деле нет, но которую электроны ощущают, как если бы она была.

Теперь физики начали изучать не только кривизну Берри, но и полную квантовую метрику таких кристаллов. Комин и его коллеги впервые измерили геометрию реального материала — кристалла с топологической структурой, известного как «кристалл кагоме», где атомы формируют узоры в виде шестиконечных звёзд. Они облучили его специальным светом и по отклику электронов измерили кривизну Берри. А затем, анализируя энергию и скорость электронов, восстановили и квантовую метрику — вторую половину скрытого рельефа.

Результаты совпали. Две независимые серии измерений дали одну и ту же картину. «Мы впервые начинаем видеть геометрию этих состояний. И это просто невероятно», — говорит Комин.

В новой статье в Science метод уже применили к другому кристаллу — чёрному фосфору. По мнению учёных, он может стать стандартным способом изучения квантовых материалов . А полное понимание квантовой геометрии в будущем, возможно, приблизит нас к созданию сверхпроводников, работающих при комнатной температуре — что может изменить всё: от квантовых компьютеров до энергетики.