摘要：麻省理工又整了大的，这次是史上第一次测到了电子的几何形状。人类终于完成了一件"不可能的任务"，揭开了困扰物理学界近百年的谜题。这项堪称革命性的突破已发表在2024年11月25日全球顶尖学术期刊《自然-物理学》杂志上，标志着量子物理研究进入了一个全新的时代。

MIT首次曝光电子真实形状。

麻省理工又整了大的，这次是史上第一次测到了电子的几何形状。人类终于完成了一件"不可能的任务"，揭开了困扰物理学界近百年的谜题。这项堪称革命性的突破已发表在2024年11月25日全球顶尖学术期刊《自然-物理学》杂志上，标志着量子物理研究进入了一个全新的时代。

我想问一下，如果要你给一个永远看不见的"隐形人"拍照，你要怎么做？这也正是物理学家们长期以来面临的困境。电子构成物质世界的基本粒子，就像一个永远捉摸不定的"隐形人"。科学家们知道它存在，可以测量它的能量、速度，却始终无法准确描述它的"样子"。而现在麻省理工终于让这个"隐形人"露出了真容。

故事要从一个看似简单却又极其深奥的问题说起：电子到底是什么？在日常认知中，物体要么是粒子(比如沙粒)，要么是波(比如水波)。但在量子世界里，电子却打破了这个常识。它既是粒子，也是波。这种双重身份让科学家们一直难以准确描述它的形态，就像无法用"圆形"或"方形"来描述海浪的形状一样。电子的"波函数"形状同样复杂得超出想象。

MIT的科学家们是如何做到这个"不可能的任务"的？答案是一项名为"角分辨光电子能谱"(ARPES)的神奇技术。可以想象在黑暗中用手电筒照射一个隐形人，虽然看不到它的本体，但能从光线的反射中推测出它的轮廓。ARPES技术就是这样工作的。

科学家们用光子轰击材料，观察电子被弹出时的角度和自旋，从而重建电子在材料中的运动轨迹和形状。是不是和发现黑洞相似？黑洞也看不见，但通过扭曲的引力波或与吸积物质的相互作用，同样能看到黑洞是什么样子。

但是等等，你可能会问，ARPES这个"神奇相机"又不是新发明的，为什么以前都没人拍到电子的几何形状？原来电子运动很快，可以想象给一只超音速飞行的蜜蜂拍照。在开阔的空气中，这只蜜蜂飞得又快又自由，你怎么可能拍得到？但如果你有一个特制的玻璃箱，能让蜜蜂只在固定的空间里飞，拍照就容易多了！

这就是为什么科学家们选择了kagome金属这个"特制玻璃箱"，它的原子排列方式像日本传统竹编一样，形成了无数相连的三角形网格。这些网格就像给电子设计的"指定跑道"，限制了电子的运动路径。所以这项突破的准确描述是：麻省理工首次成功测量了电子在固体中运动时的几何形状。

那么这项突破究竟有什么意义？会带来什么实际应用？我只能说，如果我们能够完全理解和控制电子的形状，将可能带来一系列的技术革命，比如让量子计算机变得更加稳定可靠，超导体性能得到质的飞跃，电子设备能耗大幅降低，并可能催生全新的量子信息技术。

然而在现阶段，这可能还是像1903年的人们问"莱特兄弟的飞机能不能从纽约飞到北京"一样，梦想很伟大，照进现实还需时日。但这项研究已经打开了一扇通向未知世界的大门。科学家们已经规划了下一步的研究方向，包括探索更多奇特材料中的电子行为，研究如何操控电子的量子几何特性，以及开发全新的电子器件。

参考文献："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。

徐德文科学频道。

来源：南风北巷