在半金屬中發現的量子“龍卷風”可能重新定義電子學

德國的物理學家領導的實驗表明，電子的慣性可以形成 '龍卷風' 在量子半金屬內部。

電子幾乎不可能靜止不動，它們的運動會發生一些奇異的形式.舉個例子：對量子材料中電子行為的分析，稱為砷化鉭顯示漩渦。

但故事變得更奇怪了。這些電子不是在物理位置螺旋式上升的——它們是在稱為動量空間的可能性量子模糊中旋轉的。動量空間不是繪制粒子潛在位置或位置空間的地圖，而是通過其能量和方向描述它們的運動。

類似的渦流具有以前觀察到在位置空間中。測量電子動量的值并將其繪制在三維圖上，那里也出現了一個引人注目的渦旋圖案。

這一發現可能有助于為一種全新的電子形式鋪平道路：一個名為 '軌道機械' 可以利用電子的扭曲能力而不是電荷在電子電路中傳輸信息，或者量子計算機.

這一發現是在一種名為砷化鉭的有趣半金屬晶體中發現的。在某種程度上，這并不奇怪——正是在這種材料中，人們長期預測外爾費米子是第一次被發現的。這種無質量粒子本質上的作用類似于超高效電子，它的發現需要砷化鉭的特殊量子特性。

這些特性使該材料成為狩獵的完美選擇量子龍卷風.問題在于弄清楚如何觀察它們。

德國一家名為量子物質復雜性和拓撲學 （ct.qmat） 的研究中心的科學家領導了一項研究，該研究使用一種稱為角度分辨光電子發射光譜 （ARPES） 的技術對砷化鉭樣品進行了研究。

“ARPES 是實驗固態物理學的基本工具。它包括將光照射在材料樣品上，提取電子，并測量它們的能量和出射角。Maximilian ünzelmann 說，維爾茨堡大學實驗物理學家。

“這使我們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，我們能夠測量軌道角動量。

然而，每次觀察都只拍攝材料中電子的二維快照。為了確認量子龍卷風是在這個領域形成的，該團隊必須將每個測量值堆疊成一個 3D 模型，就像 CT 掃描一樣。最終結果是一個彩色模型，顯示出非常清晰的渦流結構。

“我們逐層分析樣本，類似于醫學斷層掃描的工作原理，”ünzelmann 說.“通過將單個圖像拼接在一起，我們能夠重建軌道角動量的三維結構，并確認電子在動量空間中形成漩渦。”

該團隊表示，進一步的工作不僅可以帶來更高效的電子設備，還可以帶來一類稱為軌道飛行裝置的全新設備。這也可以與電子技術的另一個潛在繼任者一起工作——自旋電子學，它將電子自旋.

該研究發表在雜志上物理評論 X.

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