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我们已经瞥见在所有物质内部的秘密量子景观

2025-09-13 21:21阅读：

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我们已经瞥见在所有物质内部的秘密量子景观
一种奇特的几何管理粒子如何在物质内移动。现在，物理学家已经首次揭开了它的完整形状——而它可能变革我们如何设计材料
新科学家 By Karmela Padavic-Callaghan
8 September 2025
Physics
我们已经瞥见在所有物质内部的秘密量子景观

在固体内部的量子景观的新映射可能解锁强大的材料。Michael Strevens
想象你正出去在散步。在户外的新鲜空气中，你可能已经离开了身后的围墙，但甚至如此有限制你能漫步地方的边界。在一个城市里，你被街道和人行道束缚。在乡村，篱笆阻挡你的路，如果你遇到一座山丘，你将一定的感觉你双腿里的坡度。
现在，考虑电子——携带一个电荷并生活在所有物质内部的基本粒子。它最热衷来做的事情之一是一
道与其它电子奔跑形成电流。但就像当你出发散一个步时一样，电子只是不能做它们喜欢的任何事情。事实上，多年来物理学家们一已经怀疑电子一定导航一个约束它们的运动的隐藏的量子景观。
我们从来能见这个景象吗？它的形状被量子物理学的法则设定，其它的纹理被高度复杂和抽象的数学描述——希望永远不是高的。但最近研究人员发表了这个以前看不见王国的首次完整映射。麻省理工学院的研究团队成员里卡多·科明说，“在实验数据中我们现在能看到这些隐藏的纹理突然亮起来”，他是创造了这个映射的研究人员之一。
所有这些都提供一种来理解和设计材料的新方法，或许导致例如无阻力传导电流的超级高效导线。一种在材料内部实际上发生的的新观望必将导致来改进材料的新方法。
我们的世界是一个 “材料”的世界，无论它是制作椅子的木材、牙刷的塑料还是为现代生活提供动力的构成磁和电子装置的复杂材料。但要理解材料如何行为，我们需要来观看它的表面之下。在这里躺着一个与电子它们之间拥挤的原子的密的缠结，而这些电子如何运动往往决定一种材料的属特。.
布洛赫的能带
1929年瑞士裔美国物理学家费利克斯·布洛赫的一个著名的来描绘这个内部的繁忙的图片出来了。他显示了在一个固体内重复的原子的模式迫使电子也以一种类似一只船如何被波的稳定的节奏起伏上下的周期性方式在原子间来移动。布洛赫将这一见解应用到电子的波函数——编码所有粒子的量子属性的方程。
这导致了他来证明了波函数也在空间中重复，这诞生了电子世界的一个全新的图片。基于它的“布洛赫波函数”，一个电子随它疾驰过一种材料只是不能有任意能量，这些能量被约束到一个范围或能带。由于布洛赫的工作，我们现在知道一个固体的电学特性——无论它是一个导体、半导体还是绝缘体——依靠有多少电子被赶进同一能带中。例如，如果最高能带仅是部分的充满电子，仍有像它们在一个导体中做的一样来移动着和携带电流的余地。
布洛赫的理论使现代电子学成为可能的。但它的框架始终没有与现实对齐，一个仅在过去几十年中生长了的问题。20世纪80至90年代，物理学家开始研究诸如起一种绝缘体作用但在它们的表面上显示了没有预料到的电流的碲化铋材料。然后到了2018年，有石墨烯单原子层厚度的碳片：当被堆叠或扭曲时以近乎零电阻导通了电，布洛赫的理论不能解释的现象。
但也有至于在这些材料内可能正隐藏着什么的线索。20世纪80年代，英国物理学家迈克尔·贝里意识到在它们的波函数中电子可能随它们移动经过量子系统经历微妙变化，尤其是在环形中，一种第一次清晰的它们正在导航一个比布洛赫已经想象的更丰富更复杂量子景观的暗示。
映射一个电子的量子几何
其他的那个拓扑学的要素早已被奠定。甚至在贝里的工作之前，法国物理学家让-皮埃尔·普罗沃斯特和热拉尔·瓦莱通过提供测量电子的量子态之间距离的方子为映射出它奠定了一些基础。如今，他们的工作与贝里的工作现在被总结为一个关键的数学对象——这被称为“量子几何张量”（QGT）。它包含所有描绘量子几何的关键，能够解释布洛赫的模型不能阐明的行为。微观世界的一个无畏的探索者可以用它来映射电子住处的神秘的量子图景。
想象落入一个不熟悉的环境像一个茂密的雨林或一个有沙丘起伏的荒漠。有两种工具可以帮你发现你的举止：第一个是一个决定到某个目的地的最短路径标尺；第二个是特殊指南针，能告诉你在一个环形重定向中的你如何移动。它会告诉你是否在一个不知不觉方向中绕圈走回起点并最终指向一个不同的方向。在量子世界中量子几何张量同时提供两种者（见下图）。

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数学上量子几何张量是一个矩阵或一个数字表格，每个数字代表量子几何的某个面。你能观察某个数字来获取一个测量距离的参考，然后走到表格的一个不同部分并找到描述如果在一个环形中移动发生什么的一个数字。
理论上整个矩阵能被从电子的波函数计算，但在实践中数学往往太复杂。一个包含海量电子的实体它们的波函数有许多比任何材料的三维空间更多的数学维度。因此，相反实验上测量量子几何张量是来了解它的唯一途径。不幸的是这里也诸多难题。
直接涉及波函数的实验是魔一样棘手，因为一个波函数只能捕捉一个粒子的可能状态，而不是它的具体属性。测量波函数造成这些状态来坍塌，因此测量必须是间接的和温和的。多年来，这提交量子几何张量几乎不是理论。韩国首尔国立大学的杨伯姆·荣说，“量子几何张量的存在一直只是一个假设或信念，因为没人实际上已经观测到它的存在”，他与科明合作来创造首个一个固体的量子映射。
在科明和杨的工作之前，研究人员做出了关于在填补量子几何张量表中的一些点的进展，但在一个固体内的完整量子几何的映射仍然飘忽的。然而过去十年间，物理学家在工程与操控量子物体中做出大踏步，足够来抓住整个量子几何张量的第一个一瞥。2020年当法国卡斯特勒-布罗塞尔实验室的纳森·戈德曼和他的同事测量了嵌入在金刚石中的量子比特的量子几何张量时第一个测量来到了。戈德曼说这些 “可能是全球可控的最强的量子比特”，他和他的团队通过反复用精密调谐的圆偏振光促动量子比特并测量它们的波函数如何响应提取了它们的量子几何张量。
同年，法国克莱蒙奥弗涅大学的纪尧姆·马尔普埃和他的团队对陷在一个半导体谐振腔内部的光子做出了某些类似的事情。再次，对光子的紧密控制做出了差异。马尔普埃说：“你实际上真的直接接近光子的波函数” 。
然而，可能对新型电子装置证明有用的材料不是任何像量子比特或精密控制的光子的东西。它们远更复杂。甚至戈德曼说在他团队的实验中，仅仅增加一个量子比特就使量子几何张量测量远更挑战的——而包含数百万个原子的材料更广大的复杂。他说，“首先有，对提取这些[量子]态的几何没有通用配方”。

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物理学家正在绘制电子旅行地方的一个超现实地形，可能会重新定义我们如何设计材料的方式。alexnako/Shutterstock
这是五年前科明团队当他们开始思考测量在一种钴锡合金材料中的电子量子几何张量时的挑战。他们选择采用角分辨光电子能谱（ARPES）——一个在各大高校材料实验室中广泛应用的支柱技术。这里研究人员用光轰击一种材料，敲落电子落在探测器上。从探测器的读数，研究人员能确定电子在材料内有的属性并映射材料的能带。
科明的团队调整了角分辨光电子能谱（ARPES）以便光不只驱逐电子还旋转它们，允许他们来提取解释当一个电子在环中移动时发生什么的量子几何张量条目。杨的团队随后分析了相同数据来挖掘会提供一个量子距离标尺的量子几何张量部分。已经被模糊如此长的量子世界的形状进入焦点。科明说，“我们一起做了这项工作，我个人极端兴奋”。2024年11月，他们有了他们的拓扑映射，首个一个固体材料的内部量子景观的实验测量。
更多的成功跟随而来。今年6月，杨和他的另一个合作者团队用黑磷重复了这个实验，这次有更大的精度。
狩猎一种更好的超导体
就像布洛赫的电子生活的地方的图片开始了朝向晶体管的发明一样，由量子几何张量揭示的映射可能预示着一个创造其他新型材料的突破。其中一个令人振奋的可能性是以零电阻导电。这些“超导体”可能取代传统电线，并帮助创造数千倍更有效的电子设备——某些与数字技术和人工智能的扩张发展特别重要的东西，这一突破尤为重要。芬兰阿尔托大学的派维·托尔马说，“在超导体中，我们有巨大的科技潜力，以我的意见一直有一点低估这种潜力多大”。
2022年，托尔玛和她的同事是首次引用量子几何来解释令人费解的石墨烯的堆叠扭曲层可能超导的观测。按照布洛赫的理论，这类材料有“平带”——这意味着它们的电子有相同的能量不管它们移动多快或它们正在移动进入的方向。在一个平带中的一个电子就像存在于一个完美的平坦风景中一样，没有它可能滚动的山坡，也没有从来真的改变它的运动的动力。因此研究者预计在平带中的电子下一个什么也不做。当然，他们不预计它们来形成完美的有效超电流。

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2023年，一种被称为LK-99的材料在宣称它是室温超导体中登上头条——尽管它被证实不是。量子几何或许帮助指导我们到真正的东西。Rokas Tenys / Alamy Stock Photo
托尔马和她的同事通过考虑材料的量子几何揭示了不管怎样它们如何形成超电流。他们发现了当堆叠的石墨烯层被恰到好处扭转时电子的波函数足狗重叠来重新形成它们的世界。在它们的量子景观中一个桥可能突然的出现，连接以前被一个大距离隔开的电子，允许从前疏远的电荷来耦合并超导。这种量子几何比布洛赫的理论单单能捕获的更丰富，它潜在的解锁材料的物理行为的秘密。
哈佛大学的阿比谢克·班纳吉说，“这对社区是非常有影响的。它给了我们一个有一个解决方案的暗示”。从那时起，量子几何可能在未来超导体中是一个关键成分的想法一直是托尔马的工作的主要特征。
她认为，科明和杨的实验可能增强在量子几何张量中的价值和超导性被深刻联系的情况。她说，“在实验中，你应该同时测量物理响应和量子几何张量来真正建立这种关联”。目前她领导的SuperC联盟目标是到2033年取得超导突破。
但他们有为他们切割出的工作。要形成无损耗电流，电子需要来形成对，而它们自然的彼此排斥。自首个超导体被发现以来已一百多年，我们所知的此类材料仍需要么极低温要么极端高压来克服这一困难。如果电子能被它们的量子世界的内在几何轻促成对，这可能导致更实用的超导体。
托尔马说，要做这个，研究人员需要的是一份室温常压超导体关键“成分”的清单——而它的精确的量子几何张量或许是在这份清单上的一个重要条目。托尔马说，“现在存在的大多数超导体已经被实验人员直觉发现，如果量子几何积极的影响超导性，那么我们能用它为一个设计工具” 。
班纳吉全都为这个想法。他和他的同事正特别的实验堆叠石墨烯——托尔马团队在2022年解决了的材料。今年初，班纳吉团队发现了一个聪明的来用微波照射石墨烯堆叠的方法并用它的响应来更多了解当它超导时它之中电子的行为。他们量化了一个超电流抵抗变化了多少，就像一个电子河流被转向或加速起来一样，一个班纳吉期望匹配量子几何张量表中的某个条目的数值。
如果他是对的，那么他的团队将有托尔马的理论的强证据——量子几何是它的奇特超导性的背后。科学家们然后可以通过扭曲和堆叠石墨烯片或某些类似薄材料设计他们梦想的超导体，以一种被联系到量子几何张量的最大化量子属性的方式例如更强的超导性。但就现在，没有人已经设法来测量堆叠石墨烯中的完整量子几何张量，且样品太小和薄不能提交给块状固体如科明和杨研究的材料技术工作。科明也在他自己的来找到一种超导体的乞求上，但他正在对他的角分辨光电子能谱方法是行得通的大块三维状材料中搜索。
值得注意的是，源自量子几何的电子效应远不停止在超导性上。最近多种异域效应——例如在材料中自发的电流形成——已被联系到某些量子几何张量的部分。一个案例是反常的霍尔效应：在那里电子宛如被一个看不见的磁力促动偏转到一边。这些效应可能从量子态的支撑几何经典力学浮现，在设计电流方向的控制是关键的装置中是有用的。晶体管是所有现有电子设备的构建块，正好执行这种控制功能。不是需要多个元件来管理电荷，而是被量子几何形成的材料可以缺省做这个。
同样的几何也能管理某些材料对光反应，造成它们当受光照时充满电流。这可能会为新型太阳能电池或光传感器打开大门。
马萨诸塞州波士顿大学的阿纳托利·波尔科夫尼科夫说，研究量子几何张量甚至可能受益一个更广泛的应对材料的科学领域。他最初是在研究系统如何从一个相态到另一个相变化接触到这一理论——液态水如何转化为固态冰的更复杂量子类比。在这些系统中，相变标志着大量粒子集体的突然转变，就像当一个磁铁翻转它的对齐一样。他发现了通过量子几何张量中的标尺测量，量子态之间的距离能延伸或甚至在临界转变点附近会发散。他说，“我开始看到[量子]几何无处不在，它刚好在物理学的所有方面出现” 。
这些天，波尔科夫尼科夫对是否混沌系统的量子几何与永远不变成混沌的那些的差异感兴趣。他坚信量子几何可能变成化学中的一个重要概念，在那里它帮助解释某些电子在快速和突然的化学反应期间正在做什么。
我们才刚刚开始来探索在材料内部量子世界的隐秘拓扑——那些首批映射上墨迹仍正在干透。甚至如此，托尔玛说兴趣真的日益增长。她说，“起初，我是种跟随每篇论文，现在，我已经放弃了。有如此多的 “。
https://www.newscientist.com/article/2494508-weve-glimpsed-the-secret-quantum-landscape-inside-all-matter/

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