在半金屬中發(fā)現(xiàn)的量子“龍卷風(fēng)”可能重新定義電子學(xué)

德國(guó)的物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)表明，電子的慣性可以形成 '龍卷風(fēng)' 在量子半金屬內(nèi)部。

電子幾乎不可能靜止不動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生一些奇異的形式.舉個(gè)例子：對(duì)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(dòng)量空間的可能性量子模糊中旋轉(zhuǎn)的。動(dòng)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(yùn)動(dòng)。

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

這一發(fā)現(xiàn)可能有助于為一種全新的電子形式鋪平道路：一個(gè)名為 '軌道機(jī)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(jì)算機(jī).

這一發(fā)現(xiàn)是在一種名為砷化鉭的有趣半金屬晶體中發(fā)現(xiàn)的。在某種程度上，這并不奇怪——正是在這種材料中，人們長(zhǎng)期預(yù)測(cè)外爾費(fèi)米子是第一次被發(fā)現(xiàn)的。這種無(wú)質(zhì)量粒子本質(zhì)上的作用類似于超高效電子，它的發(fā)現(xiàn)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(fēng).問題在于弄清楚如何觀察它們。

德國(guó)一家名為量子物質(zhì)復(fù)雜性和拓?fù)鋵W(xué) （ct.qmat） 的研究中心的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)研究，該研究使用一種稱為角度分辨光電子發(fā)射光譜 （ARPES） 的技術(shù)對(duì)砷化鉭樣品進(jìn)行了研究。

“ARPES 是實(shí)驗(yàn)固態(tài)物理學(xué)的基本工具。它包括將光照射在材料樣品上，提取電子，并測(cè)量它們的能量和出射角。Maximilian ünzelmann 說(shuō)，維爾茨堡大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。

“這使我們能夠直接了解材料在動(dòng)量空間中的電子結(jié)構(gòu)。通過巧妙地采用這種方法，我們能夠測(cè)量軌道角動(dòng)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(rèn)量子龍卷風(fēng)是在這個(gè)領(lǐng)域形成的，該團(tuán)隊(duì)必須將每個(gè)測(cè)量值堆疊成一個(gè) 3D 模型，就像 CT 掃描一樣。最終結(jié)果是一個(gè)彩色模型，顯示出非常清晰的渦流結(jié)構(gòu)。

“我們逐層分析樣本，類似于醫(yī)學(xué)斷層掃描的工作原理，”ünzelmann 說(shuō).“通過將單個(gè)圖像拼接在一起，我們能夠重建軌道角動(dòng)量的三維結(jié)構(gòu)，并確認(rèn)電子在動(dòng)量空間中形成漩渦?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)表示，進(jìn)一步的工作不僅可以帶來(lái)更高效的電子設(shè)備，還可以帶來(lái)一類稱為軌道飛行裝置的全新設(shè)備。這也可以與電子技術(shù)的另一個(gè)潛在繼任者一起工作——自旋電子學(xué)，它將電子自旋.

該研究發(fā)表在雜志上物理評(píng)論 X.

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