摘要：在量子物理的探讨中，我们早已习惯了将基本粒子看作是运动中的物体，按照经典物理的思维，位置空间一直是我们感知世界的主要维度。然而，近些年物理学界对量子涡旋的研究揭开了一层新的面纱——这不再仅仅是位置空间中旋转的现象，而是进入了动量空间。动量空间，这一长期被忽视的
在量子物理的探讨中，我们早已习惯了将基本粒子看作是运动中的物体，按照经典物理的思维，位置空间一直是我们感知世界的主要维度。然而，近些年物理学界对量子涡旋的研究揭开了一层新的面纱——这不再仅仅是位置空间中旋转的现象，而是进入了动量空间。动量空间，这一长期被忽视的维度，成为了今天量子材料研究中的全新战场。
我们常常听到“涡旋”这一术语，它常常与旋涡、龙卷风等自然现象联系在一起。这种“旋转”的结构，也早已出现在了量子世界中，尤其是在量子材料的领域。显然，涡旋并不仅仅是视觉上的直观表现，它可以表现为一种在某些条件下自发形成的局部旋转运动。而这些旋转运动，一直以来在位置空间中都得到过观测和研究——也就是说，我们曾经可以在显微镜下看到粒子在空间中的涡旋运动。
但这一次，来自德国维尔茨堡大学的科研团队给出了一个新的证明：涡旋不仅可以出现在位置空间中，它甚至可以在动量空间中出现。这意味着，我们可以通过量子力学的全新视角，观察到电子如何在不依赖于物理位置的情况下，以“黑洞”的形式，涡旋般旋转于动量空间。
此研究成果不仅是学术界的重大突破，也有着值得深思的含义。在过去的数十年里，量子物理的探索多集中在粒子如何相互作用、如何在复杂的力场中展现出量子效应。而这一实验，揭示了量子物质中另一种未曾被深刻认识的性质——电子并非仅仅是我们通常所理解的“粒子”，它们在动量空间中的表现，揭示了全新的量子物理法则。
01量子涡旋的存在早在八年前就已被理论预言。提出这一理论的，是来自德累斯顿的研究小组成员Roderich Moessner。至于他预言的“量子龙卷风”，他形容其为一种“烟圈”，这种烟圈由无数微小的涡旋构成，就如同烟雾中轻盈的旋涡一样，弯曲、旋转，却又隐匿在看不见的维度中。
然而，直到最近，这一理论才得到了实验证明。通过改进ARPES（角分辨光电子能谱）技术，维尔茨堡的科研团队成功捕捉到了这种量子涡旋的影像。这里值得一提的是，ARPES技术本身是一种经典的量子物理实验方法，它通过照射光线以激发物质中的电子，进而检测电子的动量和能量。原本，它只用于分析电子在物质中的分布情况，但在此次实验中，团队通过巧妙的技术创新，捕捉到了电子在动量空间中的运动轨迹，揭示了它们形成的旋转涡旋结构。
这一成果的突破性不言而喻。在此之前，所有关于量子涡旋的研究都局限于位置空间。也就是说，我们只能通过间接方式观察到涡旋的表现，如量子物质中的磁场涡旋，或者是宏观世界中的漩涡现象。而现在，我们能够通过动量空间这一全新的维度，直接观察到电子如何自发形成旋涡状结构。
02在这项实验中，研究人员进一步揭示了量子涡旋的内在机制——它是由电子的轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）所产生的。在量子物质中，电子不仅仅是一个简单的粒子，它还会绕原子核进行旋转运动，这种旋转的行为赋予了电子一定的角动量。在特定条件下，电子的角动量不仅能影响其能量状态，还能形成旋转涡旋结构。具体而言，电子在动量空间的涡旋形态正是其轨道角动量的直接体现。
通过这一发现，科学家首次揭开了电子在动量空间中表现出的复杂性质。简单来说，电子的运动并非简单地沿着一条直线或者轨道运行，它们的行为也包含了像是微小旋涡般的运动模式。这种模式不仅仅是理论上的预言，经过实验的验证，它已经成为了我们对量子物质认识的新篇章。
03要想捕捉到这种动量空间中的电子涡旋，必须依赖一项重要的实验技术——ARPES。简单来说，ARPES技术通过将一束光照射到量子物质的表面，激发电子跃迁并探测其动量和能量分布。这一技术从上世纪70年代起便广泛应用于量子材料的研究，但它在电子轨道角动量的测量上，始终存在技术难题。
然而，维尔茨堡的科研团队采用了一种量子层析成像方法，进一步改进了这一技术，使得他们能够通过逐层扫描样本，重建出电子在动量空间中的三维结构。这一改进，使得研究者能够清晰地观察到电子如何在动量空间中表现出旋转的轨迹，进而发现涡旋结构的存在。这一技术的突破性，标志着量子物质研究的又一大进展。
04量子涡旋的实验验证，是一个典型的跨学科合作的成果。从理论推演到实验验证，这一过程不仅依赖于前沿的量子理论，还离不开实验技术的不断突破。在这一过程中，维尔茨堡大学和德累斯顿大学的科研团队，展现了理论与实验无缝衔接的优势。正是这种团队协作精神，才让原本遥不可及的量子涡旋成为了科学史上的现实。
除了德国本土的科研力量，国际合作也在此次实验中发挥了重要作用。来自美国的科学家提供了钽砷（TaAs）样本，而中国和挪威的研究人员也在理论建模和实验操作中提供了宝贵的支持。这一全球性的合作，正是现代物理研究的重要特征——它不仅是单一国家或地区的努力，更是跨国界、跨领域的科学创新。
量子涡旋的发现，标志着量子物质研究进入了一个全新的时代。动量空间不再是一个抽象的数学概念，它被我们逐渐逼近，成为了解开物质深层规律的钥匙。量子物质中的电子，正在以一种前所未有的方式展现出它们的复杂性与多样性。
来源：老胡科学
