Sebuah tim peneliti dari Würzburg untuk pertama kalinya secara eksperimental menunjukkan tornado kuantum. Elektron membentuk vortisitas dalam ruang momentum kuantum semi-logam tantalum arsenide.
Para ilmuwan telah lama mengetahui bahwa elektron dapat membentuk vortisitas dalam bahan kuantum. Yang baru adalah bukti bahwa partikel -partikel kecil ini menciptakan struktur seperti tornado di ruang momentum – sebuah temuan yang sekarang telah dikonfirmasi secara eksperimental. Prestasi ini dipimpin oleh Maximilian ünzelmann, seorang pemimpin kelompok di Ct.Qmat – kompleksitas dan topologi dalam materi kuantum – di universitas Würzburg dan Dresden. Menunjukkan fenomena kuantum ini menandai tonggak utama dalam penelitian bahan kuantum. Tim berharap bahwa perilaku elektron seperti vortex dalam ruang momentum dapat membuka jalan bagi teknologi kuantum baru, seperti orbitronik, yang akan menggunakan torsi orbital elektron untuk mengirimkan informasi dalam komponen elektronik alih-alih mengandalkan muatan listrik, berpotensi memangkas kehilangan energi.
Ruang momentum vs. ruang posisi
Ruang momentum adalah konsep mendasar dalam fisika yang menggambarkan gerakan elektron dalam hal energi dan arah, daripada posisi fisiknya yang tepat. Ruang posisi (“rekannya”) adalah ranah di mana fenomena yang akrab seperti vortisitas air atau badai terjadi. Sampai sekarang, bahkan vortisitas kuantum dalam bahan hanya diamati dalam ruang posisi. Beberapa tahun yang lalu, tim peneliti CT.QMAT lainnya membuat gelombang di seluruh dunia ketika mereka menangkap citra tiga dimensi pertama dari medan magnet seperti vortex dalam ruang posisi material kuantum (Nature Nanotechnology 17 (2022) 250-255).
Teori dikonfirmasi
Delapan tahun yang lalu, Roderich Moessner berteori bahwa tornado kuantum juga dapat terbentuk di ruang momentum. Pada saat itu, co-founder CT.QMAT yang berbasis di Dresden menggambarkan fenomena itu sebagai “cincin asap” karena, seperti cincin asap, itu terdiri dari vortisitas. Namun, sampai sekarang, tidak ada yang tahu cara mengukurnya. Eksperimen terobosan mengungkapkan bahwa vortex kuantum dibuat oleh momentum sudut orbital – gerakan melingkar elektron di sekitar inti atom. “Ketika kami pertama kali melihat tanda -tanda bahwa vortis kuantum yang diprediksi sebenarnya ada dan dapat diukur, kami segera menjangkau kolega Dresden kami dan meluncurkan proyek bersama,” kenang ünzelmann.
Tornado kuantum ditemukan dengan memperbaiki metode standar
Untuk mendeteksi tornado kuantum di ruang momentum, tim Würzburg meningkatkan teknik terkenal yang disebut ARPES (spektroskopi fotoemisi yang diselesaikan dengan sudut). “ARPES adalah alat mendasar dalam fisika solid-state eksperimental. Ini melibatkan cahaya menyinari sampel material, mengekstraksi elektron, dan mengukur energi dan sudut keluarnya. Ini memberi kita pandangan langsung pada struktur elektronik material dalam ruang momentum,” jelas ünzelmann. “Dengan secara cerdik mengadaptasi metode ini, kami dapat mengukur momentum sudut orbital. Saya telah bekerja dengan pendekatan ini sejak disertasi saya.”
ARPES berakar pada efek fotoelektrik, pertama kali dijelaskan oleh Albert Einstein dan diajarkan dalam fisika sekolah menengah. Ünzelmann telah menyempurnakan metode ini pada tahun 2021, mendapatkan pengakuan internasional untuk mendeteksi monopol orbital di tantalum arsenide. Sekarang, dengan mengintegrasikan bentuk tomografi kuantum, tim telah mengambil teknik selangkah lebih maju untuk mendeteksi tornado kuantum – tonggak utama lainnya. “Kami menganalisis sampel lapisan demi lapisan, mirip dengan cara kerja tomografi medis. Dengan menjahit bersama gambar individu, kami dapat merekonstruksi struktur tiga dimensi momentum sudut orbital dan mengkonfirmasi bahwa elektron membentuk vortisitas dalam ruang momentum,” jelas ünzelmann.
Jaringan Würzburg-Dresden: Kolaborasi Global
“Deteksi eksperimental tornado kuantum adalah bukti semangat tim Ct.Qmat,” kata Matthias Vojta, profesor fisika solid-state teoretis di Tu Dresden dan juru bicara Dresden CT.Qmat. “Dengan hub fisika kami yang kuat di Würzburg dan Dresden, kami dengan mulus mengintegrasikan teori dan eksperimen. Selain itu, jaringan kami mendorong kerja tim antara para ahli terkemuka dan ilmuwan karier awal – suatu pendekatan yang memicu penelitian kami ke dalam bahan kuantum topologi. Dan, tentu saja, hampir setiap proyek fisika hari ini adalah upaya global – yang dimasukkan.”
Sampel Tantalum Arsenide ditanam di AS dan dianalisis di Petra III, sebuah fasilitas penelitian internasional utama di Jerman Electron Synchrotron (Desy) di Hamburg. Seorang ilmuwan dari Cina berkontribusi pada pemodelan teoretis, sementara seorang peneliti dari Norwegia memainkan peran kunci dalam percobaan. Ke depan, tim CT.QMAT sedang mengeksplorasi apakah Tantalum arsenide dapat digunakan di masa depan untuk mengembangkan komponen kuantum orbital.
Cluster of Excellence Ct.Qmat
The Cluster of Excellence ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter has been jointly run by the University of Würzburg (JMU) and Technische Universität (TU) Dresden since 2019. Over 300 scientists from more than thirty countries and four continents study topological quantum materials that reveal surprising phenomena under extreme conditions such as ultra-low temperatures, high pressure, or strong magnetic fields. CT.QMAT didanai melalui strategi keunggulan Jerman dari pemerintah federal dan negara bagian dan merupakan satu -satunya gugus keunggulan di Jerman yang berbasis di dua negara bagian federal yang berbeda.
Publikasi
T. Figgemeier, M. ünzelmann, et al., Garis vortex orbital pencitraan dalam ruang momentum tiga dimensi, doi: Tinjauan Fisik x 15.011032
