Необычное квантовое явление может изменить представление 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.
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 Месснер, 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.