麻省理工又整了大的！這次是史上第一次測到了電子的幾何形狀，人類終於完成了一件"不可能的任務"，揭開了困擾物理學界近百年的謎題。這項堪稱革命性的突破，已發表在2024年11月25日全球頂尖學術期刊《自然-物理學》(Nature Physics)上，標誌着量子物理研究邁入了一個全新的時代。

尋找"隱形人"的旅程

如果你要描述一個永遠看不見的"隱形人"，你要如何描述？

這也正是物理學家們長期以來面臨的困境。電子，這個構成物質世界的基本粒子，就像一個永遠捉摸不定的"隱形人"。科學家們知道它存在，可以測量它的能量、速度，卻始終無法準確描述它的"樣子"。

而現在，這個"隱形人"終於露出了真容。

波還是粒子？是個問題！

故事要從一個看似簡單卻又極其深奧的問題說起：電子到底是什麼？

在我們的日常認知中，物體要麼是粒子（比如沙粒），要麼是波（比如水波）。但在量子世界裏，電子卻打破了這個常識——它既是粒子，又是波。這種雙重身份讓科學家們一直難以準確描述它的形態。

就像你無法用"圓形"或"方形"來描述海浪的形狀一樣，電子的"波函數"形狀同樣複雜得超出我們的想象。

照亮"隱形人"的魔法之光

MIT的科學家們是如何做到這個"不可能的任務"的呢？

答案是一項名爲"角分辨光電子能譜"（ARPES）的神奇技術。你可以想象你在黑暗中用手電筒照射一個隱形人，雖然看不到他的本體，但能從光線的反射中推測出他的輪廓。ARPES技術就是這樣工作的——科學家們用光子轟擊材料，觀察電子被彈出時的角度和自旋，從而重建出電子在材料中的運動軌跡和形狀。

是不是和發現黑洞相似？黑洞我們也看不見，但通過扭曲的引力波和與吸積物質的相互作用，我們同樣能看到黑洞是什麼樣子。

三角形迷陣中的驚人發現

但是等等，這裏還有個問題：ARPES這個"神奇相機"又不是新發明，爲什麼以前都沒能拍到電子的幾何形狀呢？

原來電子運動很快，想象你要給一隻超音速飛行的蜜蜂拍照。在開闊的空氣中，這隻蜜蜂飛得又快又自由，你怎麼可能拍得到？但如果你有一個特製的玻璃箱，能讓蜜蜂只在固定的空間裏飛，拍照就容易多了！

這就是爲什麼科學家們選擇了kagome金屬這個"特製玻璃箱"。它的原子排列方式像日本傳統竹編一樣，形成了無數相連的三角形網格。這些網格就像給電子設計的"指定跑道"，限制了電子的運動路徑。

所以這項突破的準確描述是：首次成功測量了電子在固體中運動時的幾何形狀。

從實驗室到未來科技

那麼這項突破究竟有什麼意義，會帶來什麼實際應用呢？

我只能說，如果我們能夠完全理解和控制電子的形狀，將可能帶來一系列的技術革命，比如讓量子計算機變得更加穩定可靠，超導體性能得到質的飛躍，電子設備能耗大幅降低，並可能催生全新的量子信息技術。

然而在現階段，這可能還是像1903年的人們問"萊特兄弟的飛機能不能從紐約飛到北京"一樣，夢想很偉大，照進現實還需時日。

但這項研究已經打開了一扇通向未知世界的大門。科學家們已經規劃了下一步的研究方向，包括探索更多奇特材料中的電子行爲，研究如何操控電子的量子幾何特性，以及開發全新的電子器件。

參考文獻：

“Measurements of the quantum geometric tensor in solids” by Mingu Kang, Sunje Kim, Yuting Qian, Paul M. Neves, Linda Ye, Junseo Jung, Denny Puntel, Federico Mazzola, Shiang Fang, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, Eli Rotenberg, Jun Fuji, Ivana Vobornik, Jae-Hoon Park, Joseph G. Checkelsky, Bohm-Jung Yang and Riccardo Comin, 25 November 2024, Nature Physics. DOI: 10.1038/s41567-024-02678-8

“Quantum geometry in solids measured using photo-emitted electrons,” 25 November 2024, Nature Physics. DOI: 10.1038/s41567-024-02681-z