새로운 현상의 증거: 운동량 공간의 양자 토네이도

뷔르츠부르크의 연구진이 처음으로 양자 토네이도를 실험적으로 입증했습니다. 전자는 양자 반금속 탄탈륨 비소화물의 운동량 공간에서 소용돌이를 형성합니다.

과학자들은 전자가 양자 물질에서 소용돌이를 형성할 수 있다는 사실을 오랫동안 알고 있었습니다. 새로운 사실은 이러한 작은 입자가 운동량 공간에서 토네이도와 같은 구조를 생성한다는 증거입니다. 이 발견은 이제 실험적으로 확인되었습니다.

이 업적은 뷔르츠부르크와 드레스덴 대학의 ct.qmat(양자 물질의 복잡성과 위상) 그룹 리더인 막시밀리안 운젤만 박사가 이끌었습니다. 이 양자 현상을 입증하는 것은 양자 물질 연구의 주요 이정표입니다. 이 팀은 운동량 공간에서 전자의 소용돌이와 같은 거동이 전자 부품에서 전기적 전하에 의존하는 대신 전자의 궤도 토크를 사용하여 정보를 전송하는 오비트로닉스와 같은 새로운 양자 기술의 길을 열 수 있기를 바라고 있습니다. 잠재적으로 에너지 손실을 줄일 수 있습니다.

모멘텀 공간 대 위치 공간

운동량 공간은 전자의 움직임을 정확한 물리적 위치가 아닌 에너지와 방향으로 설명하는 물리학의 기본 개념입니다. 위치 공간(그 "대응물")은 물 소용돌이나 허리케인과 같은 익숙한 현상이 발생하는 영역입니다. 지금까지 재료의 양자 소용돌이조차도 위치 공간에서만 관찰되었습니다. 몇 년 전, 또 다른 ct.qmat 연구팀은 양자 재료의 위치 공간에서 소용돌이와 같은 자기장의 최초의 3차원 이미지를 포착하여 전 세계적으로 파장을 일으켰습니다.

이론이 확인됨

8년 전, Roderich Moessner는 양자 토네이도가 운동량 공간에서도 형성될 수 있다고 이론화했습니다. 당시 드레스덴에 있는 ct.qmat의 공동 창립자는 이 현상을 "연기 고리"라고 설명했습니다. 연기 고리와 마찬가지로 소용돌이로 구성되어 있기 때문입니다. 그러나 지금까지 아무도 이를 측정하는 방법을 알지 못했습니다. 획기적인 실험을 통해 양자 소용돌이는 궤도 각운동량, 즉 원자핵 주위의 전자 원운동에 의해 생성된다는 것이 밝혀졌습니다.

"예상된 양자 소용돌이가 실제로 존재하고 측정할 수 있다는 징후를 처음 보았을 때, 우리는 즉시 드레스덴 동료에게 연락하여 공동 프로젝트를 시작했습니다."라고 Ünzelmann은 회상합니다.

표준 방법을 개선하여 발견된 양자 토네이도

운동량 공간에서 양자 토네이도를 감지하기 위해 뷔르츠부르크 팀은 ARPES(각도 분해 광전자 분광법)라는 잘 알려진 기술을 개선했습니다. "ARPES는 실험적 고체 물리학의 기본 도구입니다. 재료 샘플에 빛을 비추고 전자를 추출하고 에너지와 출구 각도를 측정하는 것을 포함합니다. 이를 통해 운동량 공간에서 재료의 전자 구조를 직접 살펴볼 수 있습니다."라고 Ünzelmann은 설명합니다.

"이 방법을 영리하게 적용하여 궤도 각운동량을 측정할 수 있었습니다. 저는 논문을 쓴 이후로 이 접근 방식으로 작업해 왔습니다."

ARPES는 알베르트 아인슈타인이 처음으로 설명하고 고등학교 물리학에서 가르친 광전 효과에 뿌리를 두고 있습니다. Ünzelmann은 이미 2021년에 이 방법을 개선하여 탄탈륨 비소화물에서 궤도 단극자를 감지한 공로로 국제적인 인정을 받았습니다. 이제 팀은 양자 토네이도를 감지하기 위해 양자 토네이도의 한 단계 더 나아갔습니다. 이는 또 다른 중요한 이정표입니다.

Ünzelmann은 "의료 토모그래피가 작동하는 방식과 유사하게 샘플을 층별로 분석했습니다. 개별 이미지를 꿰매어 궤도 각운동량의 3차원 구조를 재구성하고 전자가 운동량 공간에서 소용돌이를 형성한다는 것을 확인할 수 있었습니다."라고 설명합니다.

뷔르츠부르크-드레스덴 네트워크: 글로벌 협력

"양자 토네이도의 실험적 감지는 ct.qmat의 팀 정신을 증명합니다."

TU 드레스덴의 이론 고체 물리학 교수이자 ct.qmat 드레스덴 대변인인 마티아스 보이타가 말했습니다.

"뷔르츠부르크와 드레스덴에 있는 강력한 물리학 허브를 통해 이론과 실험을 원활하게 통합합니다. 또한, 저희 네트워크는 선도적인 전문가와 경력 초반 과학자 간의 팀워크를 촉진합니다. 이러한 접근 방식은 위상 양자 물질에 ​​대한 저희의 연구에 활력을 불어넣습니다. 물론 오늘날 거의 모든 물리학 프로젝트는 글로벌한 노력입니다. 이 프로젝트도 마찬가지입니다."

탄탈륨 비소화물 샘플은 미국에서 재배되었고 함부르크의 독일 전자 싱크로트론(DESY)에 있는 주요 국제 연구 시설인 PETRA III에서 분석되었습니다. 중국의 과학자가 이론적 모델링에 기여했고, 노르웨이의 연구원이 실험에서 핵심 역할을 했습니다.

앞으로 ct.qmat 팀은 탄탈륨비소화물이 장래에 궤도 양자 구성 요소를 개발하는 데 사용될 수 있는지 여부를 조사하고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250310134155.htm