科技日報記者 張佳欣
德國維爾茨堡—德累斯頓卓越集群ct.qmat團隊改進了原來的既定方法，首次通過實驗證明了“量子龍卷風(fēng)”（即量子渦旋）的存在。對這一量子現(xiàn)象的證實標(biāo)志著量子材料研究的一個重要里程碑。相關(guān)論文發(fā)表在最近的《物理評論X》上。
科學(xué)家早已知曉，電子可在量子材料中形成渦旋。例如在量子半金屬砷化鉭（TaAs）中，動量空間中的電子行為類似于旋轉(zhuǎn)的渦旋，這種量子現(xiàn)象早在8年前由ct.qmat的創(chuàng)始成員首次預(yù)測。此次的新發(fā)現(xiàn)在于，這些微小粒子在動量空間中形成了類似龍卷風(fēng)的結(jié)構(gòu)，并已通過實驗得到證實。
動量空間是物理學(xué)中的一個基本概念，它根據(jù)動量來描述電子的狀態(tài)，而不是電子的確切物理位置。迄今為止，量子渦旋通常只能在位置空間中被觀察到，而不是在動量空間中直接看到。位置空間是指用位置坐標(biāo)描述粒子或系統(tǒng)狀態(tài)的空間，它是人們最直觀理解物理世界的方式，適用于經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)。
此次，為了檢測動量空間中的量子渦旋，研究團隊改進了角分辨光電子能譜技術(shù)，從而能測量軌道角動量，進而檢測到量子龍卷風(fēng)。
這一突破性實驗表明，“量子龍卷風(fēng)”是由軌道角動量產(chǎn)生的，即電子圍繞原子核的圓周運動。團隊逐層分析了樣品。通過將單個圖像拼接在一起，他們重建了軌道角動量的三維結(jié)構(gòu)，并證實電子在動量空間中形成了渦旋。
團隊希望，動量空間中電子的渦旋狀行為能夠為新型量子技術(shù)（如軌道電子學(xué)）鋪平道路，該技術(shù)將利用電子的軌道轉(zhuǎn)矩在電子元件中傳遞信息，而不是依賴電荷，從而大幅降低能量損失。
