Würzburg’dan araştırmacılar, yerleşik bir yöntemi rafine ederek ilk kez bir kuantum kasırga gösterdiler. Kuantum semimetal tantal arsenitinde (TAAS), momentum uzayındaki elektronlar dönen bir girdap gibi davranır. Bu kuantum fenomeni ilk olarak sekiz yıl önce Dresden merkezli bir kurucu üyesi tarafından Mükemmellik Kümesi Ct.qmat tarafından tahmin edildi.
Würzburg ve Dresden Üniversitelerinin Araştırma Ağı ve Uluslararası Ortaklar arasında Ct.qmat arasında işbirlikçi bir çaba olan keşif şu anda yayınlandı. Fiziksel inceleme x.
Bilim adamları uzun zamandır elektronların kuantum malzemelerinde girdap oluşturabileceğini biliyorlar. Yenilik, bu küçük parçacıkların momentum uzayında kasırga benzeri yapılar yarattığının kanıtıdır-şimdi deneysel olarak doğrulanmış bir bulgu. Bu başarı, Würzburg ve Dresden üniversitelerinde CT.QMAT – Kuantum Maddesi’nde ortaklık ve topoloji – grup lideri Dr. Maximilian Üyelmann tarafından yönetildi.
Bu kuantum fenomenini göstermek kuantum malzeme araştırmalarında büyük bir kilometre taşını işaret eder. Ekip, momentum uzayındaki elektronların girdap benzeri davranışının, elektronların yörünge torku gibi, elektronik bileşenlerde bilgi aktarmak yerine, enerji kayıplarını potansiyel olarak azaltma gibi yeni kuantum teknolojilerinin yolunu açabileceğini umuyor.
Momentum alanı ve konum alanı
Momentum alanı, fizikte elektron hareketini tam fiziksel pozisyonlarından ziyade enerji ve yön olarak tanımlayan temel bir kavramdır. Pozisyon alanı (“muadili”) su girdapları veya kasırgalar gibi tanıdık fenomenlerin meydana geldiği alemdir. Şimdiye kadar, malzemelerdeki kuantum girdapları bile sadece pozisyon alanında gözlenmiştir.
Birkaç yıl önce, başka bir CT.QMAT araştırma ekibi, bir kuantum malzemesinin konum alanında girdap benzeri bir manyetik alanın ilk üç boyutlu görüntüsünü yakaladıklarında dünya çapında dalgalar yaptı.
Teori doğrulandı
Sekiz yıl önce Roderich Moessner, bir kuantum kasırganın da momentum alanında oluşabileceğini teorize etti. O zaman, Dresden merkezli CT.QMAT kurucu ortağı fenomeni bir “duman halkası” olarak nitelendirdi, çünkü duman halkaları gibi girdaplardan oluşuyor. Ancak, şimdiye kadar kimse onları nasıl ölçeceğini bilmiyordu.
Çığır açan deneyler, kuantum girdapının orbital açısal momentum – elektronların atom çekirdekleri etrafındaki dairesel hareketi ile yaratıldığını ortaya koydu. Üyzelmann, “Öngörülen kuantum girdaplarının gerçekte var olduğunu ve ölçülebileceğine dair işaretler gördüğümüzde, derhal Dresden meslektaşımıza ulaştık ve ortak bir proje başlattık.”
Kuantum Tornado, standart bir yöntemi rafine ederek keşfedildi
Momentum alanındaki kuantum kasırgasını tespit etmek için Würzburg ekibi, ARPES (açı çözülmüş foto-emisyon spektroskopisi) adı verilen iyi bilinen bir tekniği geliştirdi. “ARPES, deneysel katı hal fiziğinde temel bir araçtır. Malzemeli bir numuneye ışık tutmayı, elektronları çıkarmayı ve enerjilerinin ve çıkış açılarını ölçmeyi içerir.
“Bu bize bir malzemenin momentum alanındaki elektronik yapısına doğrudan bir bakış sunuyor,” diye açıklıyor Üyzelmann. “Bu yöntemi akıllıca uyarlayarak yörünge açısal momentumu ölçebildik. Tezimden beri bu yaklaşımla çalışıyorum.”
Arpes, ilk olarak Albert Einstein tarafından tanımlanan ve lise fiziğinde öğretilen fotoelektrik etkiye dayanmaktadır. Üyzelmann, 2021’de yöntemi zaten rafine etmiş ve tantal arsenitte yörünge tekelleri tespit etmek için uluslararası tanınırlık kazanmıştı. Şimdi, bir çeşit kuantum tomografisi entegre ederek, ekip, diğer bir büyük kilometre taşı olan kuantum kasırgayı tespit etmek için bir adım daha ileri gitti.
Ünzelmann, “Örnek tabakasını tıbbi tomografinin nasıl çalıştığına benzer şekilde katmanla analiz ettik. Bireysel görüntüleri bir araya getirerek, yörünge açısal momentumun üç boyutlu yapısını yeniden yapılandırabildik ve elektronların momentum boşluğunda girdap oluşturduğunu doğruladı.”
Tu Dresden ve Ct.qmat’ın Dresden sözcüsü Teorik Katı Hal Fiziği Profesörü Matthias VoJta, “Kuantum kasırgasının deneysel tespiti CT.QMAT’ın takım ruhunun bir kanıtıdır” diyor. “Würzburg ve Dresden’deki güçlü fizik merkezlerimizle teoriyi ve deneyi sorunsuz bir şekilde entegre ediyoruz.
“Ayrıca, ağımız önde gelen uzmanlar ve erken kariyer bilim adamları arasında ekip çalışmasını teşvik ediyor-araştırmamızı topolojik kuantum materyallerine besleyen bir yaklaşım. Ve elbette bugün hemen hemen her fizik projesi küresel bir çaba-bunlar dahil.”
Tantal arsenit örneği ABD’de yetiştirildi ve Hamburg’daki Alman Electron Synchrotron’da (DESY) önemli bir uluslararası araştırma tesisi olan Petra III’te analiz edildi. Çin’den bir bilim adamı teorik modellemeye katkıda bulunurken, Norveç’ten bir araştırmacı deneylerde kilit rol oynadı.
İleriye baktığımızda, CT.QMAT ekibi, tantal arsenidin gelecekte yörünge kuantum bileşenleri geliştirmek için kullanılıp kullanılamayacağını araştırıyor.
