Физики впервые экспериментально зафиксировали квантовое вихревое движение в импульсном пространстве

Впервые международный коллектив исследователей из Вюрцбурга успешно демонстрировал экспериментальное подтверждение существования квантового торнадо, используя модернизированную методику изучения материалов. Они выявили, что в квантовом полуметалле арсениде тантала (TaAs) электроны в импульсном пространстве образуют вращательные структуры, напоминающие вихрь. Это квантовое явление было предсказано теоретически восемь лет назад сооснователем Кластера передового опыта ct.qmat в Дрездене.

Этот прорыв стал результатом скоординированной работы сети университетов Вюрцбурга и Дрездена (ct.qmat) в сотрудничестве с международными партнёрами.

Давно известно, что электроны способны формировать вихревые структуры в квантовых материалах. Однако ранее это не подтверждалось экспериментально для импульсного пространства. Руководителем проекта стал доктор Максимилиан Юнцельман, возглавляющий группу ct.qmat.

Импульсное пространство — ключевая физическая концепция, описывающая движение электронов посредством энергии и направления, а не их точного положения. В отличие от этого, знакомые природные явления, такие как водные вихри или торнадо, происходят в позиционном пространстве. До недавнего времени квантовые вихри в материалах фиксировались только в позиционном пространстве.

Для фиксации квантового торнадо исследовательская группа из Вюрцбурга усовершенствовала метод ARPES (угловая разрешённая фотоэлектронная спектроскопия). Этот метод позволяет облучать образец, извлекать электроны и измерять их энергию и направление, как поясняет Юнцельман.

Используя элемент квантовой томографии, учёные смогли детально проанализировать образец, как это делается в медицинской томографии. Реконструировав трёхмерную конфигурацию орбитального углового момента, они подтвердили наличие вихревых структур в импульсном пространстве.

Образец арсенида тантала выращен в США и исследован с помощью установки PETRA III в немецком электронном синхротроне (DESY) в Гамбурге. Учёные из Китая и Норвегии вносили значимый вклад в теоретические и экспериментальные части исследования соответственно.

В данный момент команда ct.qmat изучает возможности применения арсенида тантала для создания орбитальных квантовых компонентов. Вихревое поведение электронов в импульсном пространстве может ускорить развитие новых квантовых технологий, таких как орбитроника, которая предложит передачу информации с использованием орбитального момента электронов, что потенциально существенно снизит энергетические потери в электронных компонентах.

Источник: iXBT