摘要：研究人员在实验上证明了量子龙卷风。电子在量子半金属塔坦德砷的动量空间中形成涡流。...

来自Würzburg的一组研究人员首次在实验中证明了量子龙卷风。电子在量子半金属塔坦德砷的动量空间中形成涡流。

长期以来，科学家知道电子可以在量子材料中形成涡流。新的是证明这些微小的颗粒在动量空间中产生类似龙卷风的结构 - 这一发现现已通过实验确认。这项成就由CT.QMAT的小组负责人Maximilianünzelmann博士领导 - 量子问题的复杂性和拓扑 - 在Würzburg和Dresden的大学中。证明这种量子现象标志着量子材料研究中的主要里程碑。该小组希望，电子在动量空间中的涡流行为可以为新的量子技术（例如轨道货币学）铺平道路，轨道型技术将使用电子轨道扭矩传输电子组件中的信息，而不是依靠电荷，潜在地削减能量损失。

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，它以能量和方向而不是确切的物理位置来描述电子运动。位置空间（其“对手”）是熟悉的现象（如水涡流或飓风）发生的领域。到目前为止，仅在位置空间中观察到材料中的量子涡旋。几年前，另一个CT.QMAT研究团队在全球范围内捕获了量子材料位置空间中涡流状磁场的第一个三维图像时，他们在全球范围内引起了波浪。

理论证实

八年前，罗德里希·莫斯纳（Roderich Moessner）理论认为，量子龙卷风也可以在动量空间中形成。当时，总部位于德累斯顿的CT.QMAT联合创始人将该现象描述为“烟环”，因为像烟环一样，它由涡流组成。但是，直到现在，没人知道如何测量它们。突破性实验表明，量子涡流是由轨道角动量产生的 - 电子围绕原子核的圆形运动。 ünzelmann回忆说：“当我们第一次看到预测的量子漩涡实际上存在并且可以测量的迹象时，我们立即与我们的德累斯顿同事接触并发起了一个联合项目。”

通过完善标准方法发现的量子龙卷风

为了在动量空间中检测量子龙卷风，Würzburg团队增强了一种称为ARPES（角度分辨光发射光谱）的知名技术。 “ ARPES是实验性固态物理学的基本工具。它涉及在材料样品上闪耀光线，提取电子并测量其能量和出口角。这使我们可以直接查看动量空间中材料的电子结构，”ünzelmann解释说。 “通过巧妙地适应这种方法，我们能够测量轨道角动量。自从论文以来，我一直在使用这种方法。”

Arpes植根于光电效应，首先由Albert Einstein描述，并在高中物理学中教授。 ünzelmann在2021年已经完善了该方法，因检测塔塔氏菌的轨道单孔而获得了国际认可。现在，通过整合量子断层扫描的形式，该团队将该技术进一步迈出了一步，以检测量子龙卷风（另一个主要的里程碑）。 “我们逐层分析了样品，类似于医疗断层扫描的工作原理。通过将单个图像缝合在一起，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流，”ünzelmann解释说。

Würzburg-Dresden网络：全球合作

“量子龙卷风的实验检测是CT.QMAT团队精神的证明，” Tu Dresden和CT.QMAT的理论固态物理学教授Matthias Vojta说。 “借助我们在Würzburg和Dresden的强大物理枢纽，我们无缝地整合了理论和实验。此外，我们的网络促进了领先的专家和早期职业生涯的科学家之间的团队合作 - 这种方法可以为拓扑量子材料进行研究。当然，当今几乎所有的物理学项目都是全球努力 - 包括全球努力 - 包括一个。””。”

在美国生长了塔塔木烯化样品，并在汉堡的德国电子同步器（DESY）的主要国际研究机构Petra III进行了分析。来自中国的科学家为理论建模做出了贡献，而挪威的研究人员在实验中发挥了关键作用。

展望未来，CT.QMAT团队正在探索将来是否可以使用塔坦砷剂来开发轨道量子组件。