研究人员在材料内部发现了一种隐藏的量子几何结构，它能以微妙的方式引导电子运动，正如引力在太空中扭曲光线一般。这种效应曾被认为仅存在于理论推演中，如今已在一种广受关注的量子材料中得到实验验证。该发现揭示了一种理解并控制材料导电及与光相互作用的全新视角，有望为未来超快电子设备与量子技术提供助力。
如今，来自日内瓦大学（UNIGE）的研究人员与萨莱诺大学及意大利CNR-SPIN研究所的同事们合作，取得了一项重大突破。他们在一种量子材料内部识别出一种此前未被观察到的几何特征，这种特征以一种类似于引力弯曲光线的方式，改变了电子的运动方式。这项研究成果发表在《科学》杂志上，为下一代量子电子学的发展指出了新的可能性。
量子材料为何重要
现代技术依赖于具有非凡性能的材料，其中许多性能源于量子物理学。该领域聚焦于微观尺度的物质，在此尺度下，粒子的行为方式令人惊奇。过去一个世纪里，对原子、电子和光子的研究催生了晶体管的发明，并为当今的计算机奠定了基础。
即使在今天，科学家们仍在不断发现挑战既有理论的量子效应。近期研究表明，当大量粒子在特定材料内部相互作用时，可能会产生一种内部几何结构。这种结构能够改变电子的运动方向，与爱因斯坦引力理论描述光线弯曲的方式极为相似。
从数学理念到可测量的现实
这种内部结构被称为量子度量。它描述了电子穿行其中的量子空间的曲率，并影响着材料的许多微观特性。尽管其重要性不言而喻，但通过实验证明其存在一直以来都极为困难。
"量子度量的概念大约可以追溯到20年前，但在很长一段时间里，它仅被视为一个理论构想。直到最近几年，科学家们才开始探索它对物质特性的实际影响，"日内瓦大学理学院量子物质物理系的正教授兼主任安德烈亚·卡维利亚解释道。
探测量子材料中的隐藏几何结构
在这项新研究中，由日内瓦大学牵头、与萨莱诺大学物理系副教授卡迈恩·奥蒂克斯合作的研究团队，在钛酸锶和铝酸镧这两种氧化物材料的界面上探测到了量子度量。这个界面早已被认为是研究量子行为的强大平台。
"通过观察电子轨迹在量子度量和施加于固体的强磁场共同影响下如何发生扭曲，可以揭示其存在，"该研究的第一作者、日内瓦大学理学院量子物质物理系的研究助理贾科莫·萨拉解释道。
对未来技术的启示
能够观测到这种效应，使得科学家可以更精确地测量材料的光学、电学和输运特性。研究团队还发现，量子度量是许多材料的基本特性，而非先前认为的罕见特例。
"这些发现为在更广泛的材料中探索和利用量子几何开辟了新途径，对未来工作在太赫兹频率（一万亿赫兹）的电子学、超导性以及光与物质相互作用等领域都具有重要意义，"安德烈亚·卡维利亚总结道。