Физики впервые зафиксировали квантовое торнадо — вихревые структуры электронов в импульсном пространстве. Это явление, предсказанное восемь лет назад, подтверждает сложные топологические эффекты в квантовых материалах.
Исследователи из университетов Вюрцбурга и Дрездена экспериментально зафиксировали квантовое торнадо — особую вихревую структуру, формируемую электронами в импульсном пространстве. Открытие стало возможным благодаря усовершенствованию метода фотоэмиссионной спектроскопии (ARPES) и использованию квантовой томографии.
Подобные квантовые вихри теоретически предсказал физик Родерих Месснер восемь лет назад. Он описывал их как «дымовое кольцо» — структуру, состоящую из взаимосвязанных вихрей, но до сих пор это явление оставалось недоказанным. Исследователи подтвердили предсказание в эксперименте с квантовым полуметаллом арсенидом тантала (TaAs).
В отличие от традиционных вихрей, наблюдаемых в физическом пространстве, квантовый торнадо формируется в импульсном пространстве — измерении, где электроны описываются не по их положению, а по энергии и направлению движения.
Для обнаружения квантового торнадо физики доработали метод ARPES, основанный на фотоэлектрическом эффекте, который впервые описал Альберт Эйнштейн. Они использовали многослойный анализ, аналогичный медицинской томографии, чтобы реконструировать трехмерную структуру электронных вихрей.
Мы буквально исследовали образец слой за слоем, и, собрав данные, смогли подтвердить, что электроны действительно образуют вихри в импульсном пространстве.
Максимилиан Унцельман, соавтор исследования
По словам исследователей, это открытие может иметь серьезные последствия для развития орбитроники. Это новое направление, которое предлагает использовать орбитальный крутящий момент электронов для передачи информации вместо того, чтобы полагаться на электрический заряд. Потенциально это сократит потери энергии.
Физики теперь изучают, можно ли использовать арсенид тантала для создания новых квантовых компонентов, работающих на принципах орбитроники. Если это удастся, технологии на основе квантового торнадо поможет создать энергоэффективную электронику будущего.
