Квантовое торнадо: физики 5 стран впервые поймали вихрь в импульсном пространстве
NewsMakerНеобычное квантовое явление может изменить представления о материи и открыть путь к новой электронике.
Международная группа исследователей, в которую вошли ученые из Вюрцбурга, Дрездена, США, Китая и Норвегии, впервые экспериментально подтвердила существование так называемого квантового торнадо — явления, при котором электроны в квантовом материале образуют вихревые структуры в импульсном пространстве. Эта работа, опубликованная в Physical Review X, стала важным шагом в изучении топологических квантовых материалов и может открыть новые перспективы в области квантовых технологий.
Предположение о том, что электроны могут образовывать вихревые структуры в импульсном пространстве, впервые высказал восемь лет назад Родерих Мёсснер, сооснователь исследовательского центра ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter). Он сравнил этот эффект с дымовыми кольцами, так как структура вихря напоминает замкнутые кольцевые потоки. Однако до сих пор не существовало способа измерить или зафиксировать этот феномен.
До сих пор ARPES использовался для изучения топологических состояний вещества, но ученые нашли способ измерить еще один параметр — орбитальный угловой момент электрона (его вращение вокруг атомного ядра). Именно этот момент оказался ключевым для обнаружения квантового торнадо.
«Когда мы впервые заметили признаки того, что предсказанные квантовые вихри действительно существуют и их можно измерить, мы сразу же связались с коллегами из Дрездена и начали совместный проект», — рассказал Унцельманн.
Для детального анализа ученые применили метод, напоминающий медицинскую томографию: они сканировали образец слой за слоем, а затем с помощью компьютерной обработки собрали полную трехмерную картину движения электронов. В результате они смогли подтвердить, что электроны действительно формируют вихревые структуры в импульсном пространстве, как это предсказывалось теорией.
«Экспериментальное подтверждение квантового торнадо — это важный шаг в развитии квантовой физики», — отмечает профессор Маттиас Войта, теоретик из TU Dresden и представитель ct.qmat. «Наши исследовательские центры в Вюрцбурге и Дрездене работают в тесной связке, сочетая теорию и эксперимент. Этот успех стал возможен благодаря международному сотрудничеству и командному духу».
В настоящее время команда ct.qmat продолжает исследование свойств тантал-арсенида и изучает его потенциальное применение в квантовых технологиях будущего.
Международная группа исследователей, в которую вошли ученые из Вюрцбурга, Дрездена, США, Китая и Норвегии, впервые экспериментально подтвердила существование так называемого квантового торнадо — явления, при котором электроны в квантовом материале образуют вихревые структуры в импульсном пространстве. Эта работа, опубликованная в Physical Review X, стала важным шагом в изучении топологических квантовых материалов и может открыть новые перспективы в области квантовых технологий.
Что такое квантовое торнадо?
В классической физике хорошо известно, что в природе встречаются вихревые структуры, такие как ураганы или водовороты. В квантовых материалах электроны могут вести себя аналогичным образом, образуя вихри. Однако до недавнего времени такие явления наблюдали только в координатном пространстве (например, в магнитных структурах). В новом исследовании ученые подтвердили существование электронных вихрей в импульсном пространстве — своеобразном «виртуальном» пространстве, где движения частиц описываются не их положением, а энергией и направлением импульса.Предположение о том, что электроны могут образовывать вихревые структуры в импульсном пространстве, впервые высказал восемь лет назад Родерих Мёсснер, сооснователь исследовательского центра ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter). Он сравнил этот эффект с дымовыми кольцами, так как структура вихря напоминает замкнутые кольцевые потоки. Однако до сих пор не существовало способа измерить или зафиксировать этот феномен.
Прорыв в исследовании: усовершенствование метода ARPES
Экспериментальное подтверждение квантового торнадо стало возможным благодаря команде под руководством доктора Максимилиана Унцельманна из Вюрцбурга, который адаптировал метод ARPES (фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением). Этот метод основан на фотоэлектрическом эффекте, впервые описанном Альбертом Эйнштейном: на образец направляется свет, выбивающий электроны из материала, после чего измеряются их энергия и угол вылета. Таким образом можно реконструировать электронную структуру материала.До сих пор ARPES использовался для изучения топологических состояний вещества, но ученые нашли способ измерить еще один параметр — орбитальный угловой момент электрона (его вращение вокруг атомного ядра). Именно этот момент оказался ключевым для обнаружения квантового торнадо.
«Когда мы впервые заметили признаки того, что предсказанные квантовые вихри действительно существуют и их можно измерить, мы сразу же связались с коллегами из Дрездена и начали совместный проект», — рассказал Унцельманн.
Как проходил эксперимент
Команда исследователей провела измерения на образце тантал-арсенида (TaAs) — квантового полуметалла, который уже использовался в прошлых исследованиях для изучения топологических явлений. Сам образец был выращен в США, а измерения проводились на ускорителе частиц PETRA III в DESY (Германия) — одном из крупнейших международных исследовательских центров.Для детального анализа ученые применили метод, напоминающий медицинскую томографию: они сканировали образец слой за слоем, а затем с помощью компьютерной обработки собрали полную трехмерную картину движения электронов. В результате они смогли подтвердить, что электроны действительно формируют вихревые структуры в импульсном пространстве, как это предсказывалось теорией.
Возможные применения открытия
Этот результат имеет важное значение не только для фундаментальной науки, но и для разработки новых квантовых технологий. Одним из наиболее перспективных направлений является орбитроника — новый подход к передаче информации в электронике. В современных устройствах информация передается за счет движения заряда (электрического тока), что неизбежно сопровождается потерями энергии в виде тепла. Однако, если научиться управлять орбитальным моментом электрона (его «вращением» вокруг атома), можно передавать информацию без движения заряда, что позволит значительно снизить потери энергии и повысить эффективность электронных компонентов.«Экспериментальное подтверждение квантового торнадо — это важный шаг в развитии квантовой физики», — отмечает профессор Маттиас Войта, теоретик из TU Dresden и представитель ct.qmat. «Наши исследовательские центры в Вюрцбурге и Дрездене работают в тесной связке, сочетая теорию и эксперимент. Этот успех стал возможен благодаря международному сотрудничеству и командному духу».
В настоящее время команда ct.qmat продолжает исследование свойств тантал-арсенида и изучает его потенциальное применение в квантовых технологиях будущего.