فیزیک‌دانان دانشگاه MIT اولین بار هندسه یا شکل الکترون‌ را در جامدات در سطح کوانتومی اندازه‌گیری کردند. پیش‌ازاین دانشمندان توانسته بودند انرژی و سرعت الکترون‌ها در مواد کریستالی را محاسبه کنند اما هندسه کوانتومی این ذرات تاکنون مبهم مانده بود.

براساس گزارش SciTechDaily و مقاله منتشرشده در نیچر، اندازه‌گیری شکل هندسی الکترون دستاورد بزرگی محسوب می‌شود و راه کاملاً جدیدی برای مطالعه نحوه رفتار جامدات کریستالی در سطح کوانتومی باز می‌کند. «ریکاردو کومین» (Riccardo Comin)، فیزیک‌دان MIT، می‌گوید: «ما طرحی برای کسب اطلاعات کاملاً جدیدی که قبلاً نمی‌توانستیم به‌ آنها دست پیدا کنیم، توسعه داده‌ایم.»

اندازه‌گیری شکل هندسی الکترون

در جهانی فیزیکی که ما در آن زندگی می‌کنیم، ماده‌ها به شیوه‌ای رفتار می‌کنند که فیزیک کلاسیک به‌خوبی توصیف کرده است اما اگر به سطح ذرات برویم، همه‌چیز کمی عجیب‌وغریب می‌شود. وقتی بخواهیم در سطح کوانتومی ذرات را بررسی کنیم، دیگر نمی‌توان همان مقیاس‌های کلاسیک را به‌ کار برد و باید از مکانیک کوانتومی کمک گرفت.

در دنیای عجیب فیزیک کوانتومی الکترون را می‌توان هم به‌صورت نقطه‌ای در فضا هم به‌شکل موجی توصیف کرد. برای توصیف جنبه موجی الکترون‌ها، فیزیکدانان از «تابع موجی» (Wave function) استفاده می‌کنند: مدل‌های ریاضی که ویژگی‌ها و حالات ممکن ذره یا سامانه را در مکانی خاص با ویژگی‌های خاص توصیف می‌کنند.

برخی از این ویژگی‌ها را می‌توانیم نوعی هندسه در نظر بگیریم که اغلب شبیه منحنی یا کره‌ای است که در جهات نامتناهی می‌چرخد. شکل‌های دیگر هندسه کوانتومی، مانند شکل‌های الکترون‌ها در شبکه‌ای از اتم‌ها، مانند بطری کلاین یا نوار موبیوس هستند.

برای اندازه‌گیری هندسه کوانتومی الکترون‌ها، محققان MIT به‌دنبال اندازه‌گیری خاصیتی به نام تانسور هندسی کوانتومی یا QGT بودند. QGT کمیتی فیزیکی است که کل اطلاعات هندسی حالتی کوانتومی را رمزگذاری می‌کند، مشابه روشی که هولوگرام دوبعدی اطلاعات فضایی سه‌بعدی را رمزگذاری می‌کند.

تکنیکی که آنها استفاده کردند، طیف‌سنجی انتشار نوری با تفکیک زاویه‌ای نامیده می‌شود که در آن فوتون‌ها به‌سمت ماده‌ای شلیک می‌شوند تا الکترون‌ها را جابه‌جا و خواص آنها مانند قطبش، اسپین و زاویه را اندازه‌گیری کنند. در آزمایش محققان، فوتون‌ها به بلورهای آلیاژ کبالت و قلع به نام فلز کاگوم شلیک شدند. آنها از این طریق توانستند هندسه کوانتومی الکترون‌های این فلز را محاسبه کنند.

هندسه کوانتومی می‌تواند برای کشف ابررسانایی در مواد مختلف استفاده شود و در کامپیوترهای کوانتومی و دستگاه‌های الکترونیکی و مغناطیسی پیشرفته کاربرد دارد.