研究人员实验性地证明了一种量子龙卷风。电子在量子半金属砷化钽的动量空间中形成涡旋。
来自维尔茨堡的研究团队首次实验性地证明了量子龙卷风。电子在量子半金属砷化钽的动量空间中形成涡旋。
科学家们早已知道电子可以在量子材料中形成涡旋。新发现是证明这些微小粒子在动量空间中创造类似龙卷风的结构——这一发现现已得到实验确认。该成就由ct.qmat的组长马克西米利安·乌泽尔曼博士领导——量子物质中的复杂性与拓扑——在维尔茨堡大学和德累斯顿大学。证明这一量子现象标志着量子材料研究的一个重要里程碑。团队希望电子在动量空间中的涡旋行为能够为新的量子技术铺平道路，例如轨道电子学，利用电子的轨道扭矩在电子元件中传输信息，而不是依赖电荷，这有可能大幅减少能量损耗。
动量空间与位置空间
动量空间是物理学中的一个基本概念，它描述了电子的运动以能量和方向，而不是它们的确切物理位置。位置空间（其“对应物”）是水涡旋或飓风等常见现象发生的领域。迄今为止，在材料中的量子涡旋也仅在位置空间中被观测到。几年前，ct.qmat的另一研究团队在量子材料的位置空间中首次捕捉到涡旋状磁场的三维图像，引起了全球轰动。
理论确认
八年前，罗德里希·梅斯纳理论上提出量子龙卷风也可以在动量空间中形成。彼时，这位来自德累斯顿的ct.qmat联合创始人将这一现象描述为“烟圈”，因为它由涡旋组成，类似于烟圈。然而，直到现在，没有人知道如何测量它们。这一突破实验揭示了量子涡旋是由轨道角动量产生的——电子围绕原子核的圆周运动。“当我们第一次看到预言中的量子涡旋确实存在并可以被测量时，我们立即联系了德累斯顿的同事，启动了一个联合项目，”乌泽尔曼回忆道。
通过改进标准方法发现量子龙卷风
为了在动量空间中检测量子龙卷风，维尔茨堡团队增强了一种名为ARPES（角分辨光电子能谱）的著名技术。“ARPES是实验固态物理中的一个基本工具。它涉及向材料样本照射光，提取电子，并测量它们的能量和出射角。这使我们能够直接观察材料在动量空间中的电子结构，”乌泽尔曼解释道。“通过巧妙地调整这种方法，我们能够测量轨道角动量。我从我的博士论文以来就一直在使用这种方法。”
ARPES根植于光电效应，这一效果最早是由阿尔伯特·爱因斯坦描述的，并在高中物理中教授。乌泽尔曼在2021年已经改进了该方法，因在砷化钽中检测轨道单极子而获得国际认可。现在，通过整合一种量子断层成像形式，团队进一步提升了技术，以检测量子龙卷风——另一个重要里程碑。“我们逐层分析样本，类似于医学断层扫描的工作原理。通过拼接单个图像，我们能够重建轨道角动量的三维结构，并确认电子在动量空间中形成涡旋，”乌泽尔曼解释道。
维尔茨堡-德累斯顿网络：全球合作
“量子龙卷风的实验检测证明了ct.qmat的团队精神，”德累斯顿工业大学的理论固态物理教授及ct.qmat的德累斯顿发言人马蒂亚斯·沃伊塔表示。“在维尔茨堡和德累斯顿这两个强大的物理中心，我们无缝整合理论与实验。此外，我们的网络促进了领先专家与早期职业科学家之间的团队合作——这种方法为我们对拓扑量子材料的研究提供了动力。当然，几乎今天的每个物理项目都是一个全球性的努力——本项目也是如此。”
砷化钽样本是在美国生长的，并在德国电子同步加速器（DESY）位于汉堡的PETRA III这一大型国际研究设施中进行了分析。一位来自中国的科学家为理论建模作出了贡献，而一位来自挪威的研究人员在实验中发挥了关键作用。
展望未来，ct.qmat团队正在探索砷化钽是否可以用于开发轨道量子元件。
