科學家揭開量子龍捲風之謎，電子技術將迎來革命性突破

科學家首次實驗證實，電子在動量空間中能形成類似龍捲風的結構，這項突破性發現有望催生全新的量子技術。這項研究揭示了軌道角動量與電子運動之間的相互作用，為「軌道電子學」奠定了基礎，該領域有望大幅降低電子元件的能量損耗。

長期以來，科學家已知電子能在量子材料中形成漩渦。然而，真正令人振奮的是，近期研究證實這些微小粒子在動量空間中創造出龍捲風般的結構，這項發現如今已在實驗室中得到驗證。這項突破由德國維爾茨堡大學與德累斯頓大學「量子物質複雜性與拓撲研究中心」（ct.qmat）的團隊領導人馬克西米利安·恩澤爾曼博士主導。

這項突破標誌著量子材料研究的一大進展。研究人員認為，電子在動量空間中的漩渦行為，將為新型量子技術開啟大門，尤其是在軌道電子學領域。與傳統電子學依賴電子的電荷傳遞資訊不同，軌道電子學將利用電子的軌道運動特性，這可能大幅降低電子裝置的能量損耗。

在物理學中，動量空間以電子的能量和方向來描述其運動，而非其具體位置。相比之下，位置空間是我們日常物理現象的領域，例如颶風或水漩渦。在此之前，即使在量子材料中，研究人員也僅在位置空間中觀察到量子漩渦。

幾年前，另一支ct.qmat研究團隊因首次捕捉到量子材料位置空間中漩渦狀磁場的三維影像而登上頭條。如今，隨著動量空間中量子龍捲風的發現，科學家揭開了電子行為的全新維度，讓我們離下一代量子技術更近一步。

八年前，羅德里希·莫斯納提出理論，認為量子龍捲風也可能在動量空間中形成。當時，這位ct.qmat的共同創辦人將此現象描述為「煙圈」，因為它由多個漩渦組成。然而，直到現在，科學家才找到測量它的方法。實驗結果顯示，量子漩渦是由軌道角動量所創造，也就是電子繞原子核的圓周運動。

為了檢測動量空間中的量子龍捲風，維爾茨堡團隊改良了一項名為「角分辨光電子能譜」（ARPES）的技術。ARPES是實驗固態物理學的基本工具，透過照射材料樣本並測量電子的能量與出射角度，直接觀察材料在動量空間中的電子結構。恩澤爾曼解釋：「我們巧妙地改良了這項技術，成功測量了軌道角動量。」

ARPES的基礎是愛因斯坦首次描述的光電效應，這項技術在2021年已被恩澤爾曼改良，並因在砷化鉭中檢測到軌道單極子而獲得國際認可。如今，團隊進一步整合量子斷層掃描技術，成功檢測到量子龍捲風，這又是一項重大里程碑。

德累斯頓工業大學理論固態物理學教授兼ct.qmat發言人馬蒂亞斯·沃伊塔表示：「量子龍捲風的實驗檢測，展現了ct.qmat團隊的合作精神。我們在維爾茨堡與德累斯頓的物理研究核心，無縫整合了理論與實驗。此外，我們的網路促進了頂尖專家與年輕科學家之間的團隊合作，這種方式推動了我們對拓撲量子材料的研究。」

這項研究的砷化鉭樣本在美國生長，並在德國電子同步加速器（DESY）的PETRA III設施中進行分析。中國科學家貢獻了理論建模，挪威研究人員則在實驗中扮演關鍵角色。展望未來，ct.qmat團隊正探索砷化鉭是否可用於開發軌道量子元件。

參考文獻：T. Figgemeier等人，《三維動量空間中軌道漩渦線的成像》，2025年2月13日，《物理評論X》。DOI: 10.1103/PhysRevX.15.011032