实验证明动量空间存在“量子龙卷风”

科技日报讯 （记者张佳欣）德国维尔茨堡—德累斯顿卓越集群ct.qmat团队改进了原来的既定方法，首次通过实验证明了“量子龙卷风”（即量子涡旋）的存在。对这一量子现象的证实标志着量子材料研究的一个重要里程碑。相关论文发表在最近的《物理评论X》上。

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科学家早已知晓，电子可在量子材料中形成涡旋。例如在量子半金属砷化钽（TaAs）中，动量空间中的电子行为类似于旋转的涡旋，这种量子现象早在8年前由ct.qmat的创始成员首次预测。此次的新发现在于，这些微小粒子在动量空间中形成了类似龙卷风的结构，并已通过实验得到证实。

动量空间是物理学中的一个基本概念，它根据动量来描述电子的状态，而不是电子的确切物理位置。迄今为止，量子涡旋通常只能在位置空间中被观察到，而不是在动量空间中直接看到。位置空间是指用位置坐标描述粒子或系统状态的空间，它是人们最直观理解物理世界的方式，适用于经典力学和量子力学。

此次，为了检测动量空间中的量子涡旋，研究团队改进了角分辨光电子能谱技术，从而能测量轨道角动量，进而检测到量子龙卷风。

这一突破性实验表明，“量子龙卷风”是由轨道角动量产生的，即电子围绕原子核的圆周运动。团队逐层分析了样品。通过将单个图像拼接在一起，他们重建了轨道角动量的三维结构，并证实电子在动量空间中形成了涡旋。

团队希望，动量空间中电子的涡旋状行为能够为新型量子技术（如轨道电子学）铺平道路，该技术将利用电子的轨道转矩在电子元件中传递信息，而不是依赖电荷，从而大幅降低能量损失。