Новая теория объединяет квантовые и релятивистские эффекты в взаимодействии спина электрона с кристаллической решеткой

DeFi Скам и безопасность

В современном научном сообществе понимание взаимодействий электрона с кристаллической решеткой является фундаментальной задачей не только для физики твердого тела, но и для разработки передовых устройств в области нанотехнологий, спинтроники и квантовых вычислений. Электроны, являясь элементарными частицами с квантовыми свойствами, ведут себя по законам квантовой механики, однако в ряде случаев их динамика неотделима от эффектов теории относительности. Долгое время возникавшие противоречия между двумя теориями затрудняли создание единой и точной модели, способной адекватно описывать всю сложность электронных процессов в материалах. Совсем недавно группа исследователей из Южной Кореи предложила принципиально новый подход, который обещает преодолеть эти трудности и объединить квантовые и релятивистские эффекты в единую теорию взаимодействия спина электрона с кристаллической решеткой. Электрон в атомных системах обладает двумя видами углового момента — спиновым и орбитальным.

Спиновый момент можно представить как собственное вращение электрона вокруг своей оси, а орбитальный — как движение электрона вокруг ядра, подобное орбите планеты вокруг звезды. В материале эти два вида углового момента взаимодействуют, формируя так называемое спин–орбитальное взаимодействие, которое является ключевым фактором, определяющим магнитные и электропроводные свойства вещества. В то же время спин–орбитальное взаимодействие имеет релятивистское происхождение: оно возникает из-за влияния скорости электрона, сравнимой с большой долей скорости света, что делает невозможным игнорировать эффекты теории относительности. Проблема заключается в том, что в твердых телах, таких как полупроводники и изоляторы, электроны обычно обладают низкими энергиями, где доминируют квантовые эффекты. Совмещение этих низкоэнергетических квантовых явлений с релятивистскими эффектами, присущими высокоэнергетическим процессам, долгое время вызывало трудности в моделировании и теоретическом описании.

Традиционные методы зачастую опираются на оператор орбитального углового момента, однако в кристаллической решетке определить этот оператор без неоднозначностей практически невозможно из-за дискретной и периодической структуры материала. Исследовательская группа во главе с профессорами Ноэджунгом Паком и Кёнг-Ваном Кимом предложила новый теоретический фундамент, не использующий традиционный оператор орбитального момента. Вместо этого авторы ввели понятие релятивистского взаимодействия спина с кристаллической решеткой — так называемого спин-решеточного взаимодействия, которое взаимодействует с квантовыми свойствами электрона напрямую и учитывает релятивистские эффекты без потери точности. Такой подход позволяет избежать неоднозначностей, связанных с определением орбитального момента в твердых телах, и обеспечивает согласованное математическое описание системы. Работа уже прошла экспертизу и была опубликована в Physical Review Letters в 2025 году, что подчеркивает её научную значимость и новизну.

В ходе исследований теория была успешно применена к различным видам материалов, включая одномерные проводники, такие как цепочки платины, двумерные изоляторы – например, гексагональный нитрид бора, и трёхмерные полупроводники, в числе которых — арсенид галлия. Во всех случаях новая модель продемонстрировала более точные и эффективные результаты в вычислении распределения спина, спиновых токов и магнитных ответов системы по сравнению с существующими моделями. Данная разработка имеет огромный потенциал для развития будущих технологий в сфере спинтроники, которая базируется на управлении спиновыми свойствами электронов для создания более быстрых, менее энергозатратных и высокопроизводительных запоминающих устройств. Также она открывает новые возможности для теоретического и экспериментального изучения квантовой информации, где точное описание спиновых эффектов имеет решающее значение. Отдельно стоит отметить вклад молодого ученого, доктора Бумсопа Кима, который на момент публикации был постдоктором в Университете Пенсильвании.

Его исследования по корректной математической формализации спин-решеточного взаимодействия послужили основой для теоретического прорыва и помогают сочетать принципы квантовой механики с особенностями теории относительности. Объединение квантовых и релятивистских эффектов в единую модель – это грандиозная задача, над которой ученые трудились десятилетиями. Новая теория позволяет устранить прежние вычислительные несоответствия и обеспечивает надежный инструмент для дальнейших исследований фундаментальных свойств материалов. В перспективе этот подход способен ускорить разработку новых поколений электронных устройств, основанных на управлении спином электрона, что станет важным шагом в эволюции как классических полупроводников, так и квантовых вычислительных систем. Кроме того, результаты дают повод пересмотреть многие ранее устоявшиеся представления о взаимодействиях в твердых телах, предлагая более целостное понимание физики на стыке двух великих теорий — квантовой механики и теории относительности.

Такой синтез позволит ученым с новой силой взглянуть на известные явления, а также открыть неизвестные ранее эффекты и механизмы. Таким образом, представленная теория не только способствует прорыву в фундаментальной науке, но и служит базой для развития прикладных исследований, влияющих на создание технологий будущего. Её реализация в области спинтроники и квантовых технологий может привести к появлению инновационных устройств с повышенной функциональностью, эффективностью и надежностью, способствовать развитию информационных технологий и ускорить процесс создания квантовых компьютеров. Учитывая стремительное развитие материаловедения и нанотехнологий, такой подход становится особенно актуальным именно сейчас. Понимание сложных взаимодействий в материалах на глубоком физическом уровне является основой для предсказания и проектирования новых материалов с заданными свойствами.

Это имеет прямое влияние на отрасли электроники, энергетики, медицины и многих других. Несомненно, дальнейшие исследования и эксперименты на основе этой теории дадут новое дыхание развитию физики твердого тела и квантовых технологий. Ожидается, что вскоре появятся новые публикации и отчеты о практической реализации моделей и разработках устройств, построенных на принципах объединенного квантово-релятивистского подхода. Это поможет научному сообществу и индустрии сделать качественный скачок вперед и открыть новые горизонты в понимании мира микрочастиц и их взаимодействий с окружающей средой.