軌道角動(dòng)量Nopoles一直是理論界非常感興趣的課題，因?yàn)樗鼈優(yōu)樾屡d的軌道電子學(xué)領(lǐng)域提供了主要的實(shí)用優(yōu)勢(shì)，而軌道電子學(xué)是傳統(tǒng)的潛在節(jié)能替代品電子部分?，F(xiàn)在，通過(guò)在Paul Scherrer研究所PSI的瑞士光源SLS的強(qiáng)大理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，它們的存在已經(jīng)被證明。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在雜志上物理性質(zhì)。

電子學(xué)利用電子的電荷來(lái)傳遞信息，而未來(lái)對(duì)環(huán)境影響較小的技術(shù)可能會(huì)利用電子的另一種特性來(lái)處理信息。直到最近，另一種“電子”的主要競(jìng)爭(zhēng)者是自旋電子學(xué)。這里，用來(lái)傳遞信息的屬性是電子的自旋。

研究人員還在探索利用電子繞原子核運(yùn)行的軌道角動(dòng)量(OAM)的可能性:這是一個(gè)被稱(chēng)為軌道電子學(xué)的新興領(lǐng)域。這一領(lǐng)域?qū)Υ鎯?chǔ)設(shè)備有著巨大的希望，特別是因?yàn)橄鄬?duì)較小的電荷電流可能產(chǎn)生較大的磁化，從而導(dǎo)致節(jié)能設(shè)備?，F(xiàn)在價(jià)值百萬(wàn)美元的問(wèn)題是找到合適的材料來(lái)產(chǎn)生OAMs流，這是軌道電子學(xué)的先決條件。

現(xiàn)在，由保羅·謝勒研究所PSI和德國(guó)哈雷和德累斯頓的馬克斯·普朗克研究所的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組已經(jīng)證明，手性拓?fù)浒虢饘偈?019年在PSI發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)新材料，具有使其成為產(chǎn)生oam電流的高度實(shí)用選擇的特性。

手性拓?fù)浒雽?duì)稱(chēng)這是軌道電子學(xué)的直接解決方案

在尋找合適的軌道電子材料的過(guò)程中，使用鈦等傳統(tǒng)材料已經(jīng)取得了進(jìn)展。然而，自從五年前它們被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，手性拓?fù)浒虢饘僖呀?jīng)成為一個(gè)有趣的競(jìng)爭(zhēng)者。這些材料具有螺旋原子結(jié)構(gòu)，具有像DNA雙螺旋一樣的天然“手性”，并且可以自然地賦予它們OAM的模式或紋理，使其能夠流動(dòng)。

“這為其他材料提供了一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槟悴恍枰┘油獠看碳?lái)獲得OAM紋理-它們是材料的內(nèi)在屬性，”Michael sch<e:1>解釋說(shuō)，他是PSI科學(xué)計(jì)算，理論和數(shù)據(jù)中心的小組組長(zhǎng)，弗里堡大學(xué)的物理學(xué)助理教授，他是最近研究的共同領(lǐng)導(dǎo)。“這可以在不需要特殊條件的情況下更容易地產(chǎn)生穩(wěn)定高效的OAM電流?！?/p>

軌道角動(dòng)量單極子的誘人但難以捉摸的前景

有一種特殊的OAM結(jié)構(gòu)，假設(shè)存在于手性拓?fù)浒虢饘僦?，它吸引了研究人員:OAM單極子。在這些單極子中，OAM從一個(gè)中心點(diǎn)向外輻射，就像一只受驚的刺猬的尖刺卷曲成一個(gè)球。

這些單極子之所以如此誘人，是因?yàn)镺AM在所有方向上都是均勻的:即它是各向同性的。sch 勒說(shuō):“這是一個(gè)非常有用的特性，因?yàn)樗馕吨鴒am的流動(dòng)可以在任何方向產(chǎn)生?！?

然而，盡管OAM單極子對(duì)軌道電子學(xué)很有吸引力，直到這項(xiàng)最新的研究，它們?nèi)匀皇且粋€(gè)理論上的夢(mèng)想。

刺猬躲在理論和實(shí)驗(yàn)之間

為了在實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察它們，希望依靠一種被稱(chēng)為角分辨光譜學(xué)(CD-ARPES)中的圓二色性技術(shù)，利用同步加速器光源的圓偏振x射線(xiàn)。然而，理論和實(shí)驗(yàn)之間的差距在過(guò)去阻礙了研究人員對(duì)數(shù)據(jù)的解釋。sch 勒說(shuō):“研究人員可能已經(jīng)有了數(shù)據(jù)，但OAM單極子存在的證據(jù)卻隱藏在其中。”

在ARPES中，光照射在材料上，射出電子。這些射出電子的角度和能量揭示了材料電子結(jié)構(gòu)的信息。在CD-ARPES中，入射光是圓偏振的。

sch 勒解釋說(shuō):“一個(gè)自然的假設(shè)是，如果你使用圓偏振光，你測(cè)量的是與OAMs成正比的東西?！薄皢?wèn)題是，正如我們?cè)谘芯恐酗@示的那樣，這在某種程度上是一種na?ve假設(shè)。實(shí)際上，情況要復(fù)雜得多?！?

嚴(yán)謹(jǐn)填補(bǔ)了這個(gè)缺口

在他們的研究中，sch 勒及其同事在瑞士光源SLS研究了兩種類(lèi)型的手性拓?fù)浒虢饘?鈀和鎵或鉑和鎵制成的半金屬。為了揭示隱藏在CD-ARPES數(shù)據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的OAM紋理，研究小組用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撎魬?zhàn)了每一個(gè)假設(shè)。

然后，他們做了一個(gè)不同尋常的、關(guān)鍵的額外實(shí)驗(yàn)步驟，改變光子的能量。“起初，這些數(shù)據(jù)沒(méi)有意義。信號(hào)似乎到處都在變化，”sch<e:1>勒說(shuō)。

他們仔細(xì)分析了CD-ARPES數(shù)據(jù)對(duì)OAM的復(fù)雜計(jì)算的不同貢獻(xiàn)，揭示了CD-ARPES信號(hào)并不像之前認(rèn)為的那樣與OAM成正比，而是隨著光子能量的改變而圍繞單極子旋轉(zhuǎn)。通過(guò)這種方式，他們彌合了理論和實(shí)驗(yàn)之間的差距，證明了OAM單極子的存在。

探索新材料中軌道角動(dòng)量紋理的大門(mén)打開(kāi)了

有了精確觀(guān)察OAM單極子的能力，sch 勒和他的同事們繼續(xù)證明，單極子的極性——無(wú)論OAM的尖峰是向內(nèi)還是向外——可以通過(guò)使用具有鏡像手性的晶體來(lái)逆轉(zhuǎn)。sch 勒說(shuō):“這是一個(gè)非常有用的特性，因?yàn)檐壍离娮釉O(shè)備可能具有不同的方向性。”

現(xiàn)在，隨著理論和實(shí)驗(yàn)的最終統(tǒng)一，更廣泛的研究團(tuán)體配備了探索各種材料的OAM紋理并優(yōu)化其軌道電子應(yīng)用的手段。