物理學家揭開動量空間中的量子龍捲風之謎

長期以來，物理學家已知電子可以在量子材料中形成漩渦。然而，最新研究證實，這些微小粒子在動量空間中創造出類似龍捲風的結構，這是一項突破性的發現。

在名為砷化鉭（TaAs）的量子材料中，電子在動量空間中形成漩渦。動量空間是物理學中的一個基本概念，它用能量和方向來描述電子運動，而非其確切的物理位置。

與之相對的是位置空間，這是我們熟悉的現象如水漩渦或颶風發生的領域。在此之前，即使是材料中的量子漩渦，也僅在位置空間中被觀察到。

八年前，來自馬克斯·普朗克複雜系統物理研究所和維爾茨堡-德累斯頓卓越叢集ct.qmat的Roderich Moessner博士提出理論，認為量子龍捲風也可能在動量空間中形成。當時，他將這一現象描述為煙圈，因為它像煙圈一樣由漩渦組成。然而，直到現在，沒有人知道如何測量它們。

為了檢測動量空間中的量子龍捲風，Moessner博士及其同事改進了一種名為ARPES（角分辨光電子能譜）的技術。維爾茨堡大學實驗物理VII和維爾茨堡-德累斯頓卓越叢集ct.qmat的研究員Maximilian Ünzelmann博士解釋道：「ARPES是實驗固體物理學中的一個基本工具。它涉及將光照射在材料樣本上，提取電子並測量其能量和出射角度。這使我們能夠直接觀察材料在動量空間中的電子結構。透過巧妙地改進這一方法，我們能夠測量軌道角動量。」

該團隊的研究成果發表在《物理評論X》期刊上。

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T. Figgemeier et al. 2025. Imaging Orbital Vortex Lines in Three-Dimensional Momentum Space. Phys. Rev. X 15, 011032; doi: 10.1103/PhysRevX.15.011032