科學家首次通過實驗證實，電子可以在動量空間中形成類似龍捲風的結構，這是一種革命性的發現，可能導致新的量子技術。
突破表明了軌道角動量和電子運動的相互作用，為軌道型的基礎奠定了基礎，該領域可以減少電子組件中的能量損失。
量子龍捲風：開創性的發現
長期以來，科學家已經了解到電子可以在量子材料中形成渦流。但是，真正的開創性是最近的證據，即這些微小的顆粒在動量空間中產生了類似龍捲風的結構，這一發現現在在實驗室中在實驗中得到了證實。這一突破是由CT.QMAT的小組負責人Maximilianünzelmann博士領導的 - Würzburg大學和德累斯頓大學的量子問題的複雜性和拓撲結構。
這一突破標誌著量子材料研究的重大進步。研究人員認為，動量空間中電子的渦流行為可以打開新的量子技術的大門，尤其是在軌道上。與傳統的電子設備依靠電子電荷傳輸信息不同，軌道人會使用電子軌道運動，該屬性可以大大降低電子設備中的能源損失。
動量空間與位置空間
在物理學中，動量空間描述了電子的能量和方向的運動，而不是其確切位置。相比之下，位置空間（日常物理的領域）是我們觀察到熟悉的類似渦流的模式，例如颶風或水螺旋。到目前為止，即使在量子材料中，研究人員也只觀察到位置空間中的量子渦旋。
幾年前，另一個CT.QMAT研究團隊在捕獲了量子材料位置空間內的渦流狀磁場的第一個三維圖像時，成為頭條新聞（自然納米技術17（2022）250–255）。現在，隨著在動量空間中發現量子龍捲風的發現，科學家解鎖了電子行為的全新維度，使我們更接近下一代量子技術。
理論證實：期待已久的突破
八年前，羅德里希·莫斯納（Roderich Moessner）理論認為，量子龍捲風也可以在動量空間中形成。當時，總部位於德累斯頓的CT.QMAT聯合創始人將這種現象描述為“煙環”，因為像煙環一樣，它由渦流組成。但是，直到現在，沒人知道如何測量它們。突破性實驗表明，量子渦體是由軌道角動量（電子圍繞原子核的圓形運動）產生的。 ünzelmann回憶說：“當我們第一次看到預測的量子漩渦實際上存在並且可以測量的跡象時，我們立即與我們的德累斯頓同事接觸並發起了一個聯合項目。”
通過完善標準方法發現的量子龍捲風
為了在動量空間中檢測量子龍捲風，Würzburg團隊增強了一種稱為ARPES（角度分辨光發射光譜）的知名技術。 “ ARPES是實驗性固態物理學的基本工具。它涉及在材料樣品上發光，提取電子並測量其能量和出口角度。這使我們可以直接了解材料在動量空間中的電子結構。”ünzelmann解釋說。 “通過巧妙地適應這種方法，我們能夠測量軌道角動量。自從我的論文以來，我一直在使用這種方法。”
量子斷層掃描：看到隱形
Arpes植根於光電效應，首先由Albert Einstein描述，並在高中物理學中教授。 ünzelmann在2021年已經完善了該方法，因檢測塔塔氏菌的軌道單孔而獲得了國際認可。現在，通過整合量子斷層掃描的形式，該團隊將該技術進一步邁出了一步，以檢測量子龍捲風 - 另一個主要的里程碑。 “我們逐層分析了樣品，類似於醫療斷層掃描的工作原理。通過將單個圖像縫合在一起，我們能夠重建軌道角動量的三維結構，並確認電子在動量空間中形成渦流。”ünzelmann解釋說。
Würzburg-Dresden網絡：全球合作
“量子龍捲風的實驗檢測證明了CT.QMAT的團隊精神，” Tu Dresden和CT.QMAT的Dresden發言人的理論固態物理學教授Matthias Vojta說。 “借助我們在Würzburg和Dresden的強大物理樞紐，我們無縫地整合了理論和實驗。此外，我們的網絡促進了領先的專家和早期職業科學家之間的團隊合作，這種方法為我們對拓撲量子材料的研究提供了促進。當然，當今幾乎每個物理項目都是全球努力 - 其中包括。”
在美國種植了塔塔勒姆砷樣品，並在彼得拉三世（Petra III）進行了分析，這是德國電子同步器的主要國際研究機構（德西）在漢堡。來自中國的科學家為理論建模做出了貢獻，而挪威的研究人員在實驗中發揮了關鍵作用。展望未來，CT.QMAT團隊正在探索將來是否可以使用塔坦砷劑來開發軌道量子組件。
參考：T。Figgemeier，M。ünzelmann，P。Eck，J。Schusser，L。Crippa，J。N。Neu，B。Geldiyev，P。Kagerer，J.Buck，J.Buck，M.Kalläne，M。Hoesch，M。Hoesch，K。Rossnagel，l.Siegrist，，。 Lim，R。Moessner，G。Sangiovanni，D。DiSante，F。Reinert和H. Bentmann，2025年2月13日，物理評論x。
doi：10.1103/physrevx.15.011032
