Forskare från Würzburg har för första gången experimentellt påvisat existensen av ”kvantumtornados” i impulsrummet, ett fenomen som teoretiserades för åtta år sedan men som först nu har bekräftats13. Detta genombrott leddes av Dr. Maximilian Ünzelmann, en gruppledare vid forskningsklustret ct.qmat vid universiteten i Würzburg och Dresden17.
Vad är kvantornadoer i impulsrummet?
I det kvantsemimateriella tantalumarsenidet (TaAs) beter sig elektroner i impulsrummet som virvlande strukturer, liknande tornador75. Detta skiljer sig från tidigare observationer av kvantvirvlar, som endast hade observerats i positionsrummet34. Impulsrummet är ett grundläggande koncept inom fysik som beskriver elektronernas rörelse i termer av energi och riktning, snarare än deras exakta fysiska position13. Positionsrummet är däremot där bekanta fenomen som vattenvirvlar eller orkaner förekommer34.
För åtta år sedan teoretiserade Roderich Moessner att en kvanttornado också kunde bildas i impulsrummet. Han beskrev då fenomenet som en ”rökring” eftersom det, precis som rökringar, består av virvlar13. Fram till nu visste dock ingen hur man skulle mäta dem3.
Upptäcktsmetoden
För att upptäcka kvanttornadon i impulsrummet förbättrade Würzburg-teamet en välkänd teknik kallad ARPES (vinkelupplöst fotoelektronspektroskopi)37. Denna teknik innebär att man lyser på ett materialprov, extraherar elektroner och mäter deras energi och utgångsvinkel14.
”ARPES är ett grundläggande verktyg inom experimentell fasta tillståndets fysik. Den ger oss en direkt inblick i ett materials elektroniska struktur i impulsrummet,” förklarar Ünzelmann37. Genom att integrera en form av kvantomografi kunde teamet analysera provet lager för lager, liknande hur medicinsk tomografi fungerar3. Genom att sy ihop individuella bilder kunde de rekonstruera den tredimensionella strukturen av det orbitala rörelsemängdsmomentet och bekräfta att elektroner bildar virvlar i impulsrummet3.
Betydelse och framtida tillämpningar
Detta genombrott markerar en viktig milstolpe inom forskningen om kvantmaterial12. Forskningsteamet hoppas att elektronernas virvelliknande beteende i impulsrummet kan bana väg för nya kvantteknologier, såsom orbitronik15. Orbitronik skulle använda elektronernas orbitala vridmoment för att överföra information i elektroniska komponenter istället för att förlita sig på elektrisk laddning, vilket potentiellt kan drastiskt minska energiförluster13.
Upptäckten är resultatet av ett samarbete mellan forskare från flera länder, inklusive USA, Kina, Norge och Tyskland2. Tantalumarsenidprovet syntetiserades i USA och analyserades vid PETRA III, en toppmodern anläggning vid DESY i Hamburg2.
Forskningsresultaten publicerades i tidskriften Physical Review X, med artikeln ”Imaging Orbital Vortex Lines in Three-Dimensional Momentum Space” av T. Figgemeier et al47.
Citations:
- https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250310134155.htm
- https://quantumzeitgeist.com/quantum-tornadoes-unveiled-electrons-form-vortices-in-momentum-space/
- https://tu-dresden.de/tu-dresden/newsportal/news/quanten-tornados-im-impulsraum-wuerzburg-dresdner-forschungsteam-gelingt-erster-nachweis-eines-neuen-quantenphaenomens?set_language=en
- https://www.sci.news/physics/quantum-tornadoes-13734.html
- https://www.linkedin.com/posts/tu-dresden_quantum-tornadoes-in-momentum-space-activity-7304866714008113152-_Tw4
- https://www.linkedin.com/posts/phys-org_quantum-tornadoes-in-momentum-space-first-activity-7304886837867675661-xbQ3
- https://phys.org/news/2025-03-quantum-tornadoes-momentum-space-experimental.html
- https://www.linkedin.com/posts/william-bill-kemp-75b66a6_quantum-tornadoes-in-momentum-space-first-activity-7305242179298295809-Zvrp
Answer from Perplexity: pplx.ai/share
