科技日报讯 (记者张佳欣)德国维尔茨堡—德累斯顿卓越集群ct.qmat团队改进了原来的既定方法,首次通过实验证明了“量子龙卷风”(即量子涡旋)的存在。对这一量子现象的证实标志着量子材料研究的一个重要里程碑。相关论文发表在最近的《物理评论X》上。
科学家早已知晓,电子可在量子材料中形成涡旋。例如在量子半金属砷化钽(TaAs)中,动量空间中的电子行为类似于旋转的涡旋,这种量子现象早在8年前由ct.qmat的创始成员首次预测。此次的新发现在于,这些微小粒子在动量空间中形成了类似龙卷风的结构,并已通过实验得到证实。
动量空间是物理学中的一个基本概念,它根据动量来描述电子的状态,而不是电子的确切物理位置。迄今为止,量子涡旋通常只能在位置空间中被观察到,而不是在动量空间中直接看到。位置空间是指用位置坐标描述粒子或系统状态的空间,它是人们最直观理解物理世界的方式,适用于经典力学和量子力学。
此次,为了检测动量空间中的量子涡旋,研究团队改进了角分辨光电子能谱技术,从而能测量轨道角动量,进而检测到量子龙卷风。
这一突破性实验表明,“量子龙卷风”是由轨道角动量产生的,即电子围绕原子核的圆周运动。团队逐层分析了样品。通过将单个图像拼接在一起,他们重建了轨道角动量的三维结构,并证实电子在动量空间中形成了涡旋。
团队希望,动量空间中电子的涡旋状行为能够为新型量子技术(如轨道电子学)铺平道路,该技术将利用电子的轨道转矩在电子元件中传递信息,而不是依赖电荷,从而大幅降低能量损失。
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