來(lái)自德國(guó)維爾茨堡大學(xué)的研究人員通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有的方法，首次實(shí)驗(yàn)證明了量子龍卷風(fēng)。在量子半金屬砷化鉭（TaAs）中，動(dòng)量空間中的電子表現(xiàn)得像一個(gè)旋轉(zhuǎn)的渦旋。八年前，德累斯頓大學(xué)的這一理論創(chuàng)始成員首次預(yù)言了這種量子現(xiàn)象。

這一發(fā)現(xiàn)是維爾茨堡大學(xué)和德累斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)與國(guó)際合作伙伴的合作成果，剛剛發(fā)表在《物理評(píng)論》上

科學(xué)家們?cè)缇椭离娮涌梢栽诹孔硬牧现行纬蓽u流。新發(fā)現(xiàn)是，這些微小粒子在動(dòng)量空間中形成了類似龍卷風(fēng)的結(jié)構(gòu)，這一發(fā)現(xiàn)已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了證實(shí)。這一成就是由Maximilian Un ze lmann博士領(lǐng)導(dǎo)的，他是位于維爾茨堡大學(xué)和德累斯頓大學(xué)的量子物質(zhì)復(fù)雜性和拓?fù)鋵W(xué)的研究小組組長(zhǎng)。

展示這個(gè)量子現(xiàn)象標(biāo)志著量子材料研究的一個(gè)重要里程碑。該團(tuán)隊(duì)希望，電子在動(dòng)量空間中的渦旋狀行為可以為新的量子技術(shù)（如軌道電子學(xué)）鋪平道路，該技術(shù)將利用電子的軌道力矩在電子元件中傳輸信息，而不是依賴電荷，從而潛在地減少能量損失。

動(dòng)量空間與位置空間

動(dòng)量空間是物理學(xué)中的一個(gè)基本概念，用能量和方向來(lái)描述電子運(yùn)動(dòng)，而不是它們的確切物理位置。位置空間（其“對(duì)應(yīng)物”）是水渦或颶風(fēng)等常見(jiàn)現(xiàn)象發(fā)生的領(lǐng)域。到目前為止，甚至材料中的量子渦也只在位置空間中被觀測(cè)到。

幾年前，另一個(gè)ct.qmat研究團(tuán)隊(duì)引起了全球的轟動(dòng)，因?yàn)樗麄儾蹲降搅肆孔硬牧衔恢每臻g中的渦旋狀磁場(chǎng)的第一個(gè)三維圖像。

理論得到證實(shí)

八年前，羅德里希·莫斯納 （Roderich Moessner） 提出理論，量子龍卷風(fēng)也可能在動(dòng)量空間中形成。當(dāng)時(shí)，這位總部位于德累斯頓的 ct.qmat 聯(lián)合創(chuàng)始人將這種現(xiàn)象描述為“煙圈”，因?yàn)榕c煙圈一樣，它由漩渦組成。然而，直到現(xiàn)在，還沒(méi)有人知道如何測(cè)量它們。

突破性實(shí)驗(yàn)表明，量子渦是由軌道角動(dòng)量-電子繞原子核的圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。“當(dāng)研究人員第一次看到預(yù)測(cè)的量子漩渦確實(shí)存在并且可以測(cè)量的跡象時(shí)，他們立即聯(lián)系了德累斯頓的同事并啟動(dòng)了這個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目。

通過(guò)改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)方法發(fā)現(xiàn)量子龍卷風(fēng)

為了檢測(cè)動(dòng)量空間中的量子龍卷風(fēng)，伍茲堡團(tuán)隊(duì)增強(qiáng)了一種著名的技術(shù)，稱為AR PES（角分辨光電發(fā)射光譜）。“ARPES是實(shí)驗(yàn)固體物理學(xué)中的一個(gè)基本工具。它涉及在材料樣品上照射光線，提取電子，并測(cè)量它們的能量和出口角度。

這使研究人員能夠直接了解材料在動(dòng)量空間中的電子結(jié)構(gòu)，通過(guò)巧妙地采用這種方法，研究人員能夠測(cè)量軌道角動(dòng)量。自從論文發(fā)表以來(lái)，他們一直在使用這種方法。

ARPES植根于光電效應(yīng)，最早由阿爾伯特·愛(ài)因斯坦描述，并在高中物理課上教授。ünzelmann 已經(jīng)在 2021 年改進(jìn)了該方法，因檢測(cè)砷化鉭中的軌道單極子而獲得國(guó)際認(rèn)可?，F(xiàn)在，通過(guò)整合一種形式的量子斷層掃描，該團(tuán)隊(duì)將技術(shù)向前推進(jìn)了一步，以檢測(cè)量子龍卷風(fēng)——另一個(gè)重要的里程碑。

研究人員逐層分析了樣本，類似于醫(yī)學(xué)斷層掃描的工作原理。通過(guò)拼接單個(gè)圖像，他們能夠重建軌道角動(dòng)量的三維結(jié)構(gòu)并證實(shí)電子在動(dòng)量空間中形成渦旋。

憑借位于維爾茨堡大學(xué)和德累斯頓大學(xué)的強(qiáng)大物理中心，研究人員將理論和實(shí)驗(yàn)完美結(jié)合。

這一方法推動(dòng)了人們對(duì)拓?fù)淞孔硬牧系难芯?。砷化鉭樣品在美國(guó)生長(zhǎng)，并在漢堡德國(guó)電子同步加速器（DESY）的一個(gè)主要國(guó)際研究設(shè)施PETRA III進(jìn)行了分析。在這項(xiàng)研究中，一位來(lái)自中國(guó)的科學(xué)家為理論建模做出了貢獻(xiàn)，另一位來(lái)自挪威的研究人員則在實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

展望未來(lái)，該研究團(tuán)隊(duì)正在探索砷化鉭是否可以在未來(lái)用于開(kāi)發(fā)軌道量子部件。