Forskare från Würzburg har experimentellt demonstrerat en kvanttornado för första gången genom att förfina en etablerad metod. I kvantsemimetallen tantalarsenid (TaAs) beter sig elektroner i impulsrummet som en virvlande virvel. Detta kvantfenomen förutspåddes för första gången för åtta år sedan av en Dresden-baserad grundande medlem av excellensklustret ct.qmat.
Upptäckten, som är ett samarbete mellan ct.qmat, forskningsnätverket vid universiteten i Würzburg och Dresden samt internationella partners, har nu publicerats i Physical Review X.
Forskare har länge vetat att elektroner kan bilda virvlar i kvantmaterial. Det nya är beviset för att dessa små partiklar skapar tornadoliknande strukturer i impulsrymden – ett resultat som nu har bekräftats experimentellt. Bakom denna prestation står Dr. Maximilian Ünzelmann, gruppledare vid ct.qmat-Complexity and Topology in Quantum Matter- vid universiteten i Würzburg och Dresden.
Demonstrationen av detta kvantfenomen är en viktig milstolpe inom forskningen om kvantmaterial. Teamet hoppas att elektronernas virvelliknande beteende i momentumrymden kan bana väg för ny kvantteknik, t.ex. orbitronik, som skulle använda elektronernas omloppsmoment för att överföra information i elektroniska komponenter istället för att förlita sig på elektrisk laddning, vilket potentiellt skulle kunna minska energiförlusterna.
Momentumrymd kontra positionsrymd
Momentum space är ett grundläggande begrepp inom fysiken som beskriver elektroners rörelse i termer av energi och riktning, snarare än deras exakta fysiska position. Positionsrymden (dess ”motsvarighet”) är den sfär där välkända fenomen som vattenvirvlar eller orkaner uppstår. Hittills har även kvantvirvlar i material bara observerats i positionsrymden.
För några år sedan skapade en annan forskargrupp inom ct.qmat uppmärksamhet världen över när de tog den första tredimensionella bilden någonsin av ett virvelliknande magnetfält i ett kvantmaterials positionsrymd.
Teorin bekräftad
För åtta år sedan lade Roderich Moessner fram en teori om att en kvanttornado även skulle kunna bildas i impulsrummet. Den Dresden-baserade medgrundaren av ct.qmat beskrev då fenomenet som en ”rökring” eftersom den, precis som rökringar, består av virvlar. Men fram till nu visste ingen hur man skulle mäta dem.
De banbrytande experimenten visade att kvantvirveln skapas av orbitala impulsmoment – elektronernas cirkulära rörelse runt atomkärnor. ”När vi först såg tecken på att de förutspådda kvantvirvlarna faktiskt existerade och kunde mätas, kontaktade vi omedelbart vår kollega i Dresden och startade ett gemensamt projekt”, minns Ünzelmann.
Kvanttornado upptäckt genom att förfina en standardmetod
För att upptäcka kvanttornadon i momentumrymden förbättrade Würzburg-teamet en välkänd teknik som kallas ARPES (vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi). ”ARPES är ett grundläggande verktyg inom den experimentella fasta tillståndets fysik. Tekniken går ut på att lysa på ett materialprov, extrahera elektroner och mäta deras energi och utgångsvinkel.
”På så sätt får vi en direkt inblick i materialets elektroniska struktur i impulsrummet”, förklarar Ünzelmann. ”Genom att på ett smart sätt anpassa metoden kunde vi mäta rörelsemängdsmoment i omloppsbana. Jag har arbetat med den här metoden sedan min doktorsavhandling.”
ARPES har sina rötter i den fotoelektriska effekten, som först beskrevs av Albert Einstein och som lärs ut i fysikundervisningen på gymnasiet. Ünzelmann hade redan förfinat metoden 2021 och fått internationellt erkännande för att ha upptäckt orbitala monopoler i tantalarsenid. Nu har teamet, genom att integrera en form av kvanttomografi, tagit tekniken ett steg längre för att upptäcka kvanttornadon – ännu en viktig milstolpe.
”Vi analyserade provet lager för lager, på samma sätt som medicinsk tomografi fungerar. Genom att sammanfoga enskilda bilder kunde vi rekonstruera den tredimensionella strukturen hos banans rörelsemängdsmoment och bekräfta att elektronerna bildar virvlar i rörelsemängdsmomentets rymd”, förklarar Ünzelmann.
”Den experimentella upptäckten av kvanttornadon är ett bevis på ct.qmats laganda”, säger Matthias Vojta, professor i teoretisk fasta tillståndets fysik vid TU Dresden och talesperson för ct.qmat i Dresden. ”Med våra starka fysiknav i Würzburg och Dresden integrerar vi teori och experiment på ett sömlöst sätt.
”Dessutom främjar vårt nätverk teamarbete mellan ledande experter och forskare i början av karriären – ett tillvägagångssätt som driver vår forskning om topologiska kvantmaterial. Och naturligtvis är nästan alla fysikprojekt idag en global insats – även det här.”
Tantalarsenidprovet odlades i USA och analyserades vid PETRA III, en stor internationell forskningsanläggning vid den tyska elektron-synkrotronen (DESY) i Hamburg. En forskare från Kina bidrog till den teoretiska modelleringen, medan en forskare från Norge spelade en nyckelroll i experimenten.
Framöver kommer ct.qmat-teamet att undersöka om tantalarsenid i framtiden kan användas för att utveckla orbitala kvantkomponenter.
För mer information: T. Figgemeier et al, Imaging Orbital Vortex Lines in Three-Dimensional Momentum Space, Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/PhysRevX.15.011032
