Ученым давно известно, что электроны могут образовывать вихри в квантовых материалах. Новым является доказательство того, что эти крошечные частицы создают торнадоподобные структуры в импульсном пространстве - открытие, которое теперь подтверждено экспериментально. Этим достижением руководил доктор Максимилиан Унцельман, руководитель группы ct.qmat - Сложность и топология в квантовой материи - в университетах Вюрцбурга и Дрездена. Демонстрация этого квантового явления знаменует собой важную веху в исследованиях квантовых материалов. Команда надеется, что вихреобразное поведение электронов в импульсном пространстве может проложить путь к новым квантовым технологиям, таким как орбитроника, которые будут использовать орбитальный крутящий момент электронов для передачи информации в электронных компонентах вместо того, чтобы полагаться на электрический заряд, что потенциально сократит потери энергии.

Пространство импульса против Позиционное пространство

Импульсное пространство - фундаментальное понятие в физике, которое описывает движение электронов в терминах энергии и направления, а не их точного физического положения. Позиционное пространство (его "аналог") - это область, где происходят такие знакомые явления, как водяные вихри или ураганы. До сих пор даже квантовые вихри в материалах наблюдались только в позиционном пространстве. Несколько лет назад другая исследовательская группа ct.qmat произвела фурор по всему миру, когда они получили первое в истории трехмерное изображение вихреобразного магнитного поля в пространстве положения квантового материала.

Теория подтверждена

Восемь лет назад Родерих Меснер предположил, что квантовый торнадо также может формироваться в импульсном пространстве. В то время соучредитель ct.qmat из Дрездена описал это явление как "дымовое кольцо", потому что, как и дымовые кольца, оно состоит из вихрей. Однако до сих пор никто не знал, как их измерить. Прорывные эксперименты показали, что квантовый вихрь создается орбитальным угловым моментом - круговым движением электронов вокруг атомных ядер. "Когда мы впервые увидели признаки того, что предсказанные квантовые вихри действительно существуют и могут быть измерены, мы немедленно обратились к нашему дрезденскому коллеге и запустили совместный проект", - вспоминает Унцельман.

Квантовый торнадо обнаружен путем усовершенствования стандартного метода

Чтобы обнаружить квантовый торнадо в импульсном пространстве, команда из Вюрцбурга усовершенствовала хорошо известную технику под названием ARPES (фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением). "ARPES - это фундаментальный инструмент в экспериментальной физике твердого тела. Он включает в себя излучение света на образец материала, извлечение электронов и измерение их энергии и угла выхода. Это дает нам прямой взгляд на электронную структуру материала в импульсном пространстве", - объясняет Унцельман. "Умело адаптировав этот метод, мы смогли измерить орбитальный угловой момент. Я работаю с этим подходом со времен моей диссертации."

ARPES основан на фотоэлектрическом эффекте, впервые описанном Альбертом Эйнштейном и преподаваемом в старших классах физики. Унцельманн уже усовершенствовал этот метод в 2021 году, получив международное признание за обнаружение орбитальных монополей в арсениде тантала. Теперь, интегрируя разновидность квантовой томографии, команда продвинула технику на шаг вперед, чтобы обнаружить квантовый торнадо - еще одну важную веху. "Мы проанализировали образец слой за слоем, аналогично тому, как работает медицинская томография. Соединив отдельные изображения, мы смогли реконструировать трехмерную структуру орбитального углового момента и подтвердить, что электроны образуют вихри в импульсном пространстве", - объясняет Унзельманн.

Сеть Вюрцбург-Дрезден: Глобальное сотрудничество

"Экспериментальное обнаружение квантового торнадо является свидетельством командного духа ct.qmat", - говорит Маттиас Войта, профессор теоретической физики твердого тела в Дрезденском университете и представитель ct.qmat в Дрездене. "Благодаря нашим мощным физическим центрам в Вюрцбурге и Дрездене мы легко интегрируем теорию и эксперимент. Кроме того, наша сеть способствует командной работе между ведущими экспертами и начинающими учеными - подход, который подпитывает наши исследования в области топологических квантовых материалов. И, конечно, почти каждый физический проект сегодня - это глобальное усилие, включая этот".

Образец арсенида тантала был выращен в США и проанализирован в PETRA III, крупном международном исследовательском центре немецкого электронного синхротрона (DESY) в Гамбурге. Ученый из Китая внес свой вклад в теоретическое моделирование, в то время как исследователь из Норвегии сыграл ключевую роль в экспериментах.

Забегая вперед, команда ct.qmat изучает возможность использования арсенида тантала в будущем для разработки орбитальных квантовых компонентов.