Международная группа исследователей из Вюрцбурга впервые экспериментально продемонстрировала существование квантового торнадо, усовершенствовав известный метод исследования материалов. В квантовом полуметалле арсениде тантала (TaAs) учёным удалось обнаружить, что электроны в пространстве импульсов ведут себя как вращающийся вихрь. Это квантовое явление было теоретически предсказано восемь лет назад одним из основателей Кластера передового опыта ct.qmat в Дрездене.

Открытие стало результатом совместной работы исследовательской сети университетов Вюрцбурга и Дрездена (ct.qmat) с международными партнёрами.

Учёным давно известно, что электроны могут образовывать вихри в квантовых материалах. Однако впервые удалось доказать, что эти мельчайшие частицы создают торнадоподобные структуры в пространстве импульсов. Это достижение возглавил доктор Максимилиан Юнцельман, руководитель группы ct.qmat.

Пространство импульсов — фундаментальная концепция в физике, описывающая движение электронов с точки зрения энергии и направления, а не их точного физического положения. В противоположность ему, в позиционном пространстве происходят знакомые явления, такие как водяные вихри или ураганы. До сих пор даже квантовые вихри в материалах наблюдались только в позиционном пространстве.

Для обнаружения квантового торнадо команда из Вюрцбурга усовершенствовала известную технику ARPES (угловая фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением). «ARPES — это фундаментальный инструмент в экспериментальной физике твёрдого тела. Метод включает освещение образца материала, извлечение электронов и измерение их энергии и угла выхода», — поясняет Юнцельман.

Интегрировав форму квантовой томографии, исследователи проанализировали образец послойно, подобно медицинской томографии. Объединив отдельные изображения, они смогли реконструировать трёхмерную структуру орбитального углового момента и подтвердить, что электроны образуют вихри в пространстве импульсов.

Образец арсенида тантала был выращен в США и проанализирован на установке PETRA III в немецком электронном синхротроне (DESY) в Гамбурге. В теоретическом моделировании участвовал учёный из Китая, а исследователь из Норвегии сыграл ключевую роль в экспериментах.

Команда ct.qmat сейчас изучает возможность использования арсенида тантала для разработки орбитальных квантовых компонентов. Вихревое поведение электронов в пространстве импульсов может проложить путь к новым квантовым технологиям, таким как орбитроника, которая будет использовать орбитальный момент электронов для передачи информации в электронных компонентах вместо электрического заряда, что потенциально может значительно снизить энергетические потери.