重大突破：麻省理工物理學家首次量測量子幾何
麻省理工學院（MIT）的物理學家與同仁合作，首次在量子層級量測了固體中電子的幾何形狀。長久以來，科學家雖能量測晶體材料中電子的能量與速度，但這些系統的量子幾何，直到現在，大多仍停留在理論層面，在某些情況下甚至完全難以捉摸。
這項近期發表於《自然物理》（Nature Physics ）的研究，開啟了理解與操控材料量子特性的新途徑，該研究的領導者、麻省理工學院1947級物理學職業發展副教授裡卡多·科明（Riccardo Comin）表示。
『我們基本上制定了一個藍圖，能獲取一些以前無法得到的全新資訊。』 科明說道，他同時也隸屬於麻省理工學院材料研究實驗室與電子研究實驗室。
《自然物理》論文的第一作者、康奈爾大學原子與固態物理實驗室的卡弗裡博士後研究員姜敏古（Mingu Kang）表示，這項研究成果可應用於任何量子材料，而非僅侷限於研究中所使用的材料。姜敏古於2023年獲得麻省理工學院博士學位，此研究是他在麻省理工學院攻讀研究生時進行的。
姜敏古還受邀為11月25日出版的《自然物理》撰寫了一篇關於這項研究及其意義的研究簡報。
在奇妙的量子物理世界裡，電子既可以被描述為空間中的一個點，也可以被描述為一種類似波的形狀。當前這項研究的核心是一個被稱為波函式的基本概念，它描述的是後者。『你可以把它想象成三維空間中的一個曲面。』 科明解釋道。
波函式有不同型別，從簡單到複雜都有。想象一個球，這類似於一個簡單的、平凡的波函式。現在再想象一個莫比烏斯帶，就是藝術家M.C. 埃舍爾（M.C. Escher）在其作品中探索的那種結構，這就類似於一個複雜的、非平凡的波函式。而量子世界中充滿了由後者構成的材料。
但直到現在，波函式的量子幾何只能從理論上推斷，有時甚至完全無法得知。隨著物理學家發現越來越多在量子計算機到先進電子和磁性裝置等各領域有潛在應用的量子材料，這一特性也變得越來越重要。
麻省理工學院的團隊使用一種名為角分辨光電子能譜（angle-resolved photoemission spectroscopy，簡稱ARPES）的技術解決了這個問題。科明、姜敏古和一些同樣的同仁曾在其他研究中使用過這項技術。例如，在2022年，他們報告發現了一種名為kagome金屬的新型量子材料奇異特性背後的 『秘訣』。那項研究也發表在《自然物理》上。在當前這項研究中，團隊調整了ARPES技術來量測kagome金屬的量子幾何。
姜敏古強調，能夠量測材料量子幾何的新能力，來自理論學家與實驗學家的緊密合作。
新冠疫情也對研究產生了影響。來自韓國的姜敏古在疫情期間待在韓國，這促進了他與韓國理論學家的合作，身為實驗學家的姜敏古說道。
疫情也給科明帶來了一個不尋常的機會。他前往義大利，協助在義大利國家實驗室埃萊特拉光源（Elettra）進行ARPES實驗。該實驗室在疫情期間關閉，但在科明抵達時開始重新開放。然而，當姜敏古新冠檢測呈陽性無法與他會合時，他只能在當地科學家的支援下獨自進行實驗。『作為教授，我領導專案，但實際工作是由學生和博士後完成的。所以這基本上是我最後一項真正參與實驗操作的研究了。』 他笑著說。
參考文獻：《固體中量子幾何張量的量測》，作者姜敏古、孫杰·金（Sunje Kim）、錢雨婷（Yuting Qian）、保羅·M·內維斯（Paul M. Neves）、葉琳達（Linda Ye）、鄭俊碩（Junseo Jung）、丹尼·龐特爾（Denny Puntel）、費德里科·馬佐拉（Federico Mazzola）、方翔（Shiang Fang）、克里斯·喬茲維亞克（Chris Jozwiak）、亞倫·博斯特威克（Aaron Bostwick）、伊萊·羅滕伯格（Eli Rotenberg）、藤純（Jun Fuji）、伊萬娜·沃博爾尼科娃（Ivana Vobornik）、樸在勳（Jae-Hoon Park）、約瑟夫·G·切克爾斯基（Joseph G. Checkelsky）、梁範正（Bohm-Jung Yang）和裡卡多·科明，2024年11月25日，《自然物理》。DOI：10.1038/s41567-024-02678-8 《利用光發射電子量測固體中的量子幾何》，2024年11月25日，《自然物理》。DOI：10.1038/s41567-024-02681-z
除了姜敏古和科明，《自然物理》論文的其他作者還包括首爾國立大學的孫杰·金（他與姜敏古同為第一作者）；麻省理工學院物理系研究生保羅·M·內維斯；斯坦福大學的葉琳達；首爾國立大學的鄭俊碩；的裡雅斯特大學的丹尼·龐特爾；義大利國家研究委員會和威尼斯卡福斯卡里大學的費德里科·馬佐拉；谷歌DeepMind的方翔；勞倫斯伯克利國家實驗室的克里斯·喬茲維亞克、亞倫·博斯特威克和伊萊·羅滕伯格；義大利國家研究委員會的藤純和伊萬娜·沃博爾尼科娃；馬克斯·普朗克浦項科技大學/韓國研究倡議以及浦項科技大學的樸在勳；麻省理工學院物理學副教授約瑟夫·G·切克爾斯基；首爾國立大學的梁範正，他與科明共同領導了這項研究專案。
這項研究由美國空軍科學研究辦公室、美國國家科學基金會、戈登和貝蒂·摩爾基金會、韓國國家研究基金會、三星科技基金會、美國陸軍研究辦公室、美國能源部科學辦公室、海辛 - 西蒙斯物理學研究獎學金計劃、清華教育基金會、義大利NFFA - MUR國際專案設施、三星文化基金會以及康奈爾大學卡弗裡研究所資助。
