|
Первое доказательство нового квантового явления
|
|
|
|
Исследователи из Вюрцбурга впервые экспериментально продемонстрировали квантовый торнадо, усовершенствовав устоявшийся метод. В квантовом полуметалле арсениде тантала (TaaS) электроны в импульсном пространстве ведут себя как закрученный вихрь. Это квантовое явление было впервые предсказано восемь лет назад одним из основателей Кластера передового опыта ct.qmat из Дрездена. Открытие, сделанное в результате совместных усилий ct.qmat, исследовательской сети университетов Вюрцбурга и Дрездена, и международных партнеров, было опубликовано в журнале Physical Review X.
|
|
|
|
Ученым давно известно, что электроны могут образовывать вихри в квантовых материалах. Новым является доказательство того, что эти крошечные частицы создают структуры, подобные торнадо, в импульсном пространстве - открытие, которое теперь подтверждено экспериментально. Это достижение было достигнуто под руководством доктора Максимилиана Унзельмана, руководителя группы ct.qmat—Complexity and Topology in Quantum Matter — в университетах Вюрцбурга и Дрездена.
|
|
|
|
Демонстрация этого квантового явления знаменует собой важную веху в исследованиях квантовых материалов. Команда надеется, что вихревое поведение электронов в импульсном пространстве может проложить путь к новым квантовым технологиям, таким как орбитроника, которые будут использовать орбитальный момент электронов для передачи информации в электронных компонентах вместо того, чтобы полагаться на электрический заряд, что потенциально сократит потери энергии.
|
|
|
|
|
|
|
Пространство импульсов и пространство положений
|
|
|
|
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 пространстве координат.
|
|
|
|
Несколько лет назад другая исследовательская группа ct.qmat произвела сенсацию на весь мир, когда они получили первое в истории трехмерное изображение вихреобразного магнитного поля в пространстве координат квантового материала.
|
|
Теория подтвердилась
|
|
|
|
Восемь лет назад Родерих Меснер предположил, что квантовый торнадо может образовываться и 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 за счет орбитального углового момента — кругового движения 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 Унзельманн.
|
|
Квантовый торнадо был обнаружен путем усовершенствования стандартного метода
|
|
|
|
Чтобы обнаружить квантовый торнадо в импульсном пространстве, команда из Вюрцбурга усовершенствовала хорошо известный метод, называемый ARPES (фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением). "ARPES является фундаментальным инструментом в экспериментальной физике твердого тела. Он включает в себя облучение образца материала светом, извлечение электронов и измерение их энергии и угла выхода.
|
|
|
|
"Это позволяет нам непосредственно взглянуть на электронную структуру материала в пространстве импульсов", - объясняет Унзельманн. "Благодаря грамотной адаптации этого метода мы смогли измерить орбитальный угловой момент. Я работаю с этим подходом со времен своей диссертации".
|
|
|
|
В основе метода ARPES лежит фотоэлектрический эффект, впервые описанный Альбертом Эйнштейном и изучаемый в средней школе физики. В 2021 году Унзельманн уже усовершенствовал этот метод, получив международное признание за обнаружение орбитальных монополей в арсениде тантала. Теперь, внедрив одну из форм квантовой томографии, команда продвинула технологию еще на один шаг вперед в обнаружении квантового торнадо — еще одной важной вехи.
|
|
|
|
"Мы проанализировали образец слой за слоем, подобно тому, как работает медицинская томография. Объединив отдельные изображения, мы смогли восстановить трехмерную структуру орбитального углового момента и подтвердить, что электроны образуют вихри в импульсном пространстве", - объясняет Унзельманн.
|
|
|
|
"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 совместной работе ведущих экспертов и начинающих ученых - подход, который стимулирует наши исследования в области топологических квантовых материалов. И, конечно, почти каждый современный физический проект — это глобальная работа, в том числе и 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, а 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.
|
|
|
|
Источник
|
