Um sucesso que está a causar agitação entre os especialistas
Tornados quânticos no espaço momentâneo: equipa de investigação apresenta a primeira prova de um novo fenómeno quântico
Através da extensão de um método estabelecido, uma jovem equipa de investigação de Würzburg conseguiu demonstrar experimentalmente, pela primeira vez, um tornado quântico. Os electrões no espaço de momento do semimetal quântico arsenieto de tântalo (TaAs) comportam-se como um vórtice. Este fenómeno quântico foi previsto teoricamente há oito anos por um membro fundador de Dresden do Cluster of Excellence ct.qmat. A atual realização científica é o resultado da colaboração entre o ct.qmat, a rede de investigação das Universidades de Würzburg e Dresden, e investigadores internacionais. O artigo foi publicado na revista Physical Review X.
Tornado quântico no espaço do momento
think-design | Jochen Thamm
Os electrões podem formar vórtices num material quântico. Este facto, por si só, não é novo. No entanto, o facto de as pequenas partículas formarem um tornado no espaço de momento só agora foi provado experimentalmente. Este sucesso foi alcançado por uma equipa de investigação internacional liderada pelo Dr. Maximilian Ünzelmann, líder do grupo no Cluster of Excellence ct.qmat - Complexity and Topology in Quantum Matter nas Universidades de Würzburg e Dresden. A prova deste fenómeno quântico representa um novo marco na investigação de materiais quânticos. Os investigadores esperam que este comportamento de vórtice dos electrões no espaço de momento possa constituir a base para novas tecnologias quânticas, como a orbitrónica, no futuro. Neste caso, o binário orbital dos electrões é utilizado para transmitir informações em componentes electrónicos, em vez da carga eléctrica. Isto poderia reduzir significativamente as perdas de energia.
Espaço de momento versus espaço espacial
O espaço de momento é um conceito físico utilizado para determinar o movimento dos electrões com base na sua direção de energia e movimento - e não no local específico onde se encontram. A sua "contraparte" é o chamado espaço de localização. Este representa o ambiente em que são descritas as experiências quotidianas, como os vórtices de água ou os furacões. Até agora, os vórtices quânticos nos materiais só foram detectados no espaço localizado: Há alguns anos, outra equipa do ct.qmat causou uma sensação mundial com a primeira imagem tridimensional de um campo magnético semelhante a um vórtice no espaço local de um material quântico (Nature Nanotechnology 17 (2022) 250-255).
Teoria confirmada
Há oito anos, Roderich Moessner previu teoricamente que um tornado quântico também é possível no espaço de momento. Na altura, o membro fundador do ct.qmat, sediado em Dresden, apresentou este fenómeno quântico como um "anel de fumo", porque os anéis de fumo também são constituídos por vórtices. Até agora, porém, não era claro como é que estes vórtices podiam ser medidos. As experiências mostraram agora que o vórtice quântico é formado pelo chamado momento angular orbital - ou seja, o movimento circular dos electrões em torno dos núcleos atómicos. "Quando tivemos as primeiras indicações de que os vórtices quânticos previstos existiam realmente e podiam ser medidos, contactámos o nosso colega de Dresden e iniciámos um projeto conjunto", recorda Ünzelmann.
Tornado quântico encontrado através da extensão de um método padrão
A equipa de investigação de Würzburg desenvolveu ainda um método especial ARPES (Angle Resolved Photo Emission Spectroscopy) para a primeira deteção de um tornado quântico no espaço de momento. "A ARPES faz parte do repertório padrão da física experimental do estado sólido. Consiste em irradiar amostras de materiais com luz, extrair electrões e medir a sua energia e ângulo de saída. Isto permite uma visão direta da estrutura eletrónica do material no espaço de momento", diz Ünzelmann. "Se utilizarmos este método com competência, podemos medir o momento angular orbital. Tenho estado a trabalhar nisto desde a minha dissertação". O ARPES baseia-se no efeito fotoelétrico descrito por Albert Einstein, que faz parte da disciplina de Física do ensino secundário.
Ünzelmann já tinha expandido o método em 2021 e atraiu a atenção internacional com a deteção de monopolos orbitais no arsenieto de tântalo. A adição de um tipo de tomografia quântica ao ARPES tornou agora possível a deteção do tornado quântico - um novo marco. "Analisámos a amostra camada por camada, como se sabe na tomografia médica. As imagens individuais foram agrupadas. Isto permitiu-nos ver a estrutura tridimensional do momento angular orbital e provar que os electrões formam vórtices no espaço de momento", explica Ünzelmann.
A rede Würzburg-Dresden coopera a nível mundial
"A prova experimental do tornado quântico é um exemplo do espírito de equipa do ct.qmat. Combinamos com sucesso a teoria e a experiência nos dois centros de física em Würzburg e Dresden. Além disso, os especialistas trabalham em conjunto com jovens cientistas na nossa rede de investigação. Esta é uma força motriz poderosa para a investigação de materiais quânticos topológicos. Além disso, quase todos os projectos em física são o resultado da cooperação internacional - incluindo este", comenta Matthias Vojta, Professor de Física Teórica do Estado Sólido na TU Dresden e porta-voz em Dresden do Cluster de Excelência ct.qmat.
A amostra de material de arsenieto de tântalo foi cultivada nos EUA e depois analisada na instalação internacional de investigação em grande escala PETRA III do Sincrotrão Eletrónico Alemão (DESY) em Hamburgo. Um cientista da China também participou na modelação teórica e um investigador da Noruega dirigiu a experiência.
A equipa do ct.qmat está atualmente a investigar se o material pode ser utilizado no futuro para a realização de componentes quânticos orbitrónicos.
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Publicação original
T. Figgemeier, M. Ünzelmann, P. Eck, J. Schusser, L. Crippa, J. N. Neu, B. Geldiyev, P. Kagerer, J. Buck, M. Kalläne, M. Hoesch, K. Rossnagel, T. Siegrist, L.-K. Lim, R. Moessner, G. Sangiovanni, D. Di Sante, F. Reinert, H. Bentmann; "Imaging Orbital Vortex Lines in Three-Dimensional Momentum Space"; Physical Review X, Volume 15, 2025-2-13
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