日内瓦大学（UNIGE）的研究人员，联合萨勒诺大学和意大利CNR-SPIN研究所，在量子材料领域取得一项突破性进展，首次在实验上证实了量子材料中一个基本且深刻的几何属性。这项发表于2025年《科学》杂志的研究，揭示了电子在这些材料中的运动轨迹如同光线受引力影响般发生弯曲，为理解量子物理学开辟了新视角，并有望加速下一代电子器件的开发，使其运行速度达到前所未有的水平。
这项发现的核心是“量子度量”的概念，它量化了电子所处量子空间的曲率。尽管量子力学传统上通过波函数和概率来描述粒子行为，但量子度量揭示了一种影响波函数的隐藏几何结构。这一几何方面已被理论探讨了二十多年，此次实验检测是其首次在现实世界中被证实，是凝聚态物理学中的一个重要里程碑。
研究团队专注于钛酸锶（SrTiO₃）与铝酸镧（LaAlO₃）的界面，这一界面以其独特的二维电子气和电子特性而闻名。通过施加强烈的磁场，研究人员有意地扭曲了电子的轨迹，从而暴露了量子度量对电子传输机制产生的微妙但关键的影响，这些影响此前一直难以被探测到。
这种对电子路径的控制能力对于设计用于超高速计算和高能效电力传输的材料至关重要。其与广义相对论的类比尤为引人注目：正如大质量物体会弯曲时空一样，量子度量会弯曲电子所处的抽象希尔伯特空间，从而影响其运动和相互作用。这种从引力几何到量子几何的观念转变，为利用材料的内在属性开发太赫兹频率应用（如先进通信和量子信息处理）开辟了新的途径。
此前，量子几何效应在实际材料中的作用很大程度上仍是推测性的。然而，UNIGE团队将理论与实验相结合的能力，提供了强有力的证据，表明量子度量是许多量子材料的内在属性，而非仅仅是数学上的奇思妙想。这挑战了先前的假设，并预示着未来的材料设计必须纳入这些几何效应，才能充分发挥其潜力。
电子的自旋-动量锁定，即自旋方向与运动方向的内在关联，是这一几何框架的关键组成部分。在量子度量的影响下，自旋与动量的相互作用导致了电子传输特性的意外改变。这些改变可能在实现超越当前半导体技术的自旋电子器件方面发挥关键作用，进一步深化了量子几何与实际电子响应之间的联系。
此外，这些发现还延伸至超导性和光-物质相互作用领域。具有非平凡量子几何的材料可能表现出不同的超导特性，例如更高的临界温度或新颖的配对机制。通过量子度量效应操纵电子轨迹，还可以增强光子-电子耦合，这对于开发高效的量子光子器件至关重要。因此，这项研究成功地将基础物理与应用技术联系起来，有望加速多个领域的创新。
检测量子度量效应因其微妙性以及在实验条件下量子相干性的脆弱性而面临挑战。研究团队通过采用先进的高磁场施加技术和原子尺度电子行为监测技术克服了这些困难。他们多学科的综合方法，结合了理论物理、先进材料合成和精密测量，凸显了揭示如此复杂的量子现象所需的协作努力。
鉴于全球对量子计算和超高速电子元件的重视，这项发现尤为重要。具有量子几何属性的材料可能提供卓越的电荷迁移率、降低的能量耗散和增强的操作稳定性。该研究指向了一个新范式，即量子层面的几何原理可作为未来技术的设计参数。
这些研究结果也挑战了材料科学模型中常见的简化处理方式。认识到量子度量曲率主动塑造电子动力学，需要重新评估量子材料行为的模拟和预测方式。纳入这些几何维度的更全面的模型，对于准确预测材料特性和指导实验工作至关重要。
展望未来，探索量子度量效应为定制具有特定量子响应的材料提供了有希望的途径。通过操纵几何因素，有可能设计出利用这些现象的应用，例如高灵敏度传感器、用于量子信息的鲁棒量子比特，或高能效晶体管。
这种几何学与量子力学的交叉融合，通过将抽象的数学结构与经验验证相结合，丰富了理论图景。这项突破不仅加深了我们对量子材料的理解，还将量子几何定位为材料创新的基石，从而在计算、通信等领域实现电子性能的重大飞跃。