來自德國維爾茨堡大學的研究人員通過改進現有的方法，首次實驗證明了量子龍卷風。在量子半金屬砷化鉭（TaAs）中，動量空間中的電子表現得像一個旋轉的渦旋。八年前，德累斯頓大學的這一理論創始成員首次預言了這種量子現象。

這一發現是維爾茨堡大學和德累斯頓大學的研究團隊與國際合作伙伴的合作成果，剛剛發表在《物理評論》上

科學家們早就知道電子可以在量子材料中形成渦流。新發現是，這些微小粒子在動量空間中形成了類似龍卷風的結構，這一發現已經通過實驗得到了證實。這一成就是由Maximilian Un ze lmann博士領導的，他是位于維爾茨堡大學和德累斯頓大學的量子物質復雜性和拓撲學的研究小組組長。

展示這個量子現象標志著量子材料研究的一個重要里程碑。該團隊希望，電子在動量空間中的渦旋狀行為可以為新的量子技術（如軌道電子學）鋪平道路，該技術將利用電子的軌道力矩在電子元件中傳輸信息，而不是依賴電荷，從而潛在地減少能量損失。

動量空間與位置空間

動量空間是物理學中的一個基本概念，用能量和方向來描述電子運動，而不是它們的確切物理位置。位置空間（其“對應物”）是水渦或颶風等常見現象發生的領域。到目前為止，甚至材料中的量子渦也只在位置空間中被觀測到。

幾年前，另一個ct.qmat研究團隊引起了全球的轟動，因為他們捕捉到了量子材料位置空間中的渦旋狀磁場的第一個三維圖像。

理論得到證實

八年前，羅德里希·莫斯納 （Roderich Moessner） 提出理論，量子龍卷風也可能在動量空間中形成。當時，這位總部位于德累斯頓的 ct.qmat 聯合創始人將這種現象描述為“煙圈”，因為與煙圈一樣，它由漩渦組成。然而，直到現在，還沒有人知道如何測量它們。

突破性實驗表明，量子渦是由軌道角動量-電子繞原子核的圓周運動產生的。“當研究人員第一次看到預測的量子漩渦確實存在并且可以測量的跡象時，他們立即聯系了德累斯頓的同事并啟動了這個聯合項目。

通過改進標準方法發現量子龍卷風

為了檢測動量空間中的量子龍卷風，伍茲堡團隊增強了一種著名的技術，稱為AR PES（角分辨光電發射光譜）。“ARPES是實驗固體物理學中的一個基本工具。它涉及在材料樣品上照射光線，提取電子，并測量它們的能量和出口角度。

這使研究人員能夠直接了解材料在動量空間中的電子結構，通過巧妙地采用這種方法，研究人員能夠測量軌道角動量。自從論文發表以來，他們一直在使用這種方法。

ARPES植根于光電效應，最早由阿爾伯特·愛因斯坦描述，并在高中物理課上教授。ünzelmann 已經在 2021 年改進了該方法，因檢測砷化鉭中的軌道單極子而獲得國際認可。現在，通過整合一種形式的量子斷層掃描，該團隊將技術向前推進了一步，以檢測量子龍卷風——另一個重要的里程碑。

研究人員逐層分析了樣本，類似于醫學斷層掃描的工作原理。通過拼接單個圖像，他們能夠重建軌道角動量的三維結構并證實電子在動量空間中形成渦旋。

憑借位于維爾茨堡大學和德累斯頓大學的強大物理中心，研究人員將理論和實驗完美結合。

這一方法推動了人們對拓撲量子材料的研究。砷化鉭樣品在美國生長，并在漢堡德國電子同步加速器（DESY）的一個主要國際研究設施PETRA III進行了分析。在這項研究中，一位來自中國的科學家為理論建模做出了貢獻，另一位來自挪威的研究人員則在實驗中發揮了關鍵作用。

展望未來，該研究團隊正在探索砷化鉭是否可以在未來用于開發軌道量子部件。