Wetenschappers van de Universiteit van Genève (UNIGE), in samenwerking met de Universiteit van Salerno en het CNR-SPIN Instituut, hebben baanbrekend experimenteel bewijs geleverd voor een fundamentele geometrische eigenschap binnen kwantummaterialen. Deze ontdekking, gepubliceerd in het tijdschrift Science in 2025, werpt nieuw licht op het gedrag van elektronen in deze geavanceerde materialen, met mogelijke toepassingen in ultrasnelle elektronische apparaten.
De kern van deze doorbraak is het concept van de 'kwantummetriek', dat de kromming van de kwantumruimte die elektronen bewonen kwantificeert. Hoewel kwantummechanica traditioneel deeltjesgedrag beschrijft via golffuncties en waarschijnlijkheden, onthult de kwantummetriek een verborgen geometrische structuur die deze golffuncties beïnvloedt. Dit geometrische aspect, dat al meer dan twintig jaar theoretisch werd onderbouwd, is nu voor het eerst experimenteel gedetecteerd, wat een significante mijlpaal in de materiaalkunde markeert.
Het onderzoek richtte zich op de interface tussen strontiumtitanaat (SrTiO₃) en lanthanumaluminaat (LaAlO₃). Door intense magnetische velden toe te passen, slaagde het team erin de trajecten van elektronen doelbewust te vervormen. Deze manipulatie legde subtiele, maar cruciale, invloeden van de kwantummetriek bloot die voorheen onopgemerkt bleven, en biedt een nieuw perspectief op de transportmechanismen van elektronen in complexe materialen.
De analogie met de algemene relativiteitstheorie is treffend: net zoals massa ruimtetijd kromt, kromt de kwantummetriek de abstracte Hilbertruimte die elektronen bewonen, wat hun beweging en interacties beïnvloedt. Deze verschuiving van gravitationele naar kwantumgeometrieën opent mogelijkheden voor apparaten die deze intrinsieke materiaaleigenschappen benutten bij terahertz-frequenties, essentieel voor geavanceerde communicatie en kwantum-informatieverwerking.
De interactie tussen de spin en het momentum van een elektron, bekend als spin-momentum locking, is een cruciaal onderdeel van dit geometrische raamwerk. De invloed van de kwantummetriek op deze koppeling leidt tot onverwachte aanpassingen in elektronische transporteigenschappen. Deze aanpassingen kunnen doorslaggevend zijn voor de realisatie van spintronische apparaten die huidige halfgeleidertechnologie overtreffen.
De implicaties van deze ontdekking reiken verder dan spintronica en omvatten ook supergeleiding en licht-materie-interacties. Materialen met een niet-triviale kwantumgeometrie kunnen gewijzigde supergeleidende eigenschappen vertonen, wat kan leiden tot hogere kritische temperaturen of nieuwe koppelingsmechanismen. Het manipuleren van elektronentrajecten via kwantummetriek-effecten kan ook de koppeling tussen fotonen en elektronen versterken, wat cruciaal is voor de ontwikkeling van efficiënte kwantumfotonische apparaten.
Het detecteren van kwantummetriek-effecten is uitdagend vanwege hun subtiliteit en de delicate aard van kwantumcoherentie onder experimentele omstandigheden. Het onderzoeksteam overwon deze hindernissen door gebruik te maken van geavanceerde technieken voor het toepassen van hoge magnetische velden en het monitoren van elektronengedrag op atomaire schaal. Hun multidisciplinaire aanpak, die theoretische fysica, geavanceerde materiaal synthese en precisie metingen combineert, onderstreept de collaboratieve inspanning die nodig is om zulke ingewikkelde kwantumfenomenen te ontdekken.