科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

德國(guó)維爾茨堡—德累斯頓卓越集群ct.qmat團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了原來的既定方法，首次通過實(shí)驗(yàn)證明了“量子龍卷風(fēng)”（即量子渦旋）的存在。對(duì)這一量子現(xiàn)象的證實(shí)標(biāo)志著量子材料研究的一個(gè)重要里程碑。相關(guān)論文發(fā)表在最近的《物理評(píng)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(dòng)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(cè)。此次的新發(fā)現(xiàn)在于，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)，并已通過實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。

動(dòng)量空間是物理學(xué)中的一個(gè)基本概念，它根據(jù)動(dòng)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(dòng)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(cè)動(dòng)量空間中的量子渦旋，研究團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了角分辨光電子能譜技術(shù)，從而能測(cè)量軌道角動(dòng)量，進(jìn)而檢測(cè)到量子龍卷風(fēng)。

這一突破性實(shí)驗(yàn)表明，“量子龍卷風(fēng)”是由軌道角動(dòng)量產(chǎn)生的，即電子圍繞原子核的圓周運(yùn)動(dòng)。團(tuán)隊(duì)逐層分析了樣品。通過將單個(gè)圖像拼接在一起，他們重建了軌道角動(dòng)量的三維結(jié)構(gòu)，并證實(shí)電子在動(dòng)量空間中形成了渦旋。

團(tuán)隊(duì)希望，動(dòng)量空間中電子的渦旋狀行為能夠?yàn)樾滦土孔蛹夹g(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。