實驗證明動量空間存在“量子龍捲風”

科技日報訊 （記者張佳欣）德國維爾茨堡—德累斯頓卓越集羣ct.qmat團隊改進了原來的既定方法，首次通過實驗證明了“量子龍捲風”（即量子渦旋）的存在。對這一量子現象的證實標誌着量子材料研究的一個重要里程碑。相關論文發表在最近的《物理評論X》上。

科學家早已知曉，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於旋轉的渦旋，這種量子現象早在8年前由ct.qmat的創始成員首次預測。此次的新發現在於，這些微小粒子在動量空間中形成了類似龍捲風的結構，並已通過實驗得到證實。

動量空間是物理學中的一個基本概念，它根據動量來描述電子的狀態，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座標描述粒子或系統狀態的空間，它是人們最直觀理解物理世界的方式，適用於經典力學和量子力學。

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，從而能測量軌道角動量，進而檢測到量子龍捲風。

這一突破性實驗表明，“量子龍捲風”是由軌道角動量產生的，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構，並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（如軌道電子學）鋪平道路，該技術將利用電子的軌道轉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。