德国物理学家领导的实验表明，电子的惯性可以在量子半金属内部形成“龙卷风”。

电子几乎不可能静止不动，它们的运动可以呈现出一些奇怪的形式。一个恰当的例子：对一种叫做钽化砷的量子材料中的电子行为的分析揭示了涡旋。

但故事变得更奇怪了。这些电子并不是在物理空间中旋转 —— 它们是在一种被称为动量空间的可能性的量子模糊中这样做的。动量空间不是绘制粒子的潜在位置或位置空间的地图，而是通过它们的能量和方向来描述它们的运动。

在位置空间中也曾观察到类似的漩涡。测量电子的动量值并将其绘制在三维图形上，一个引人注目的漩涡图案也出现在那里。

这一发现可能有助于为一种全新形式的电子学铺平道路：一个被称为“轨道电子学”的领域，它可以利用电子的扭曲力，而不是它们的电荷，在电子电路或量子计算机中携带信息。

这一发现是在一种叫做钽化砷的有趣的半金属晶体中发现的。在某种程度上，这并不令人惊讶 —— 正是在这种材料中，人们首次发现了长期预测的Weyl费米子。这种无质量的粒子本质上就像一个超高效的电子，它的发现需要钽化砷的特殊量子特性。

这些特性使这种材料成为捕捉量子龙卷风的完美选择。问题在于如何观察它们。

德国量子物质复杂性和拓扑研究中心（ct.qmat）的科学家们领导了一项研究，他们在钽化砷样品上使用了一种称为角分辨光谱学（ARPES）的技术，成功地实现了这一目标。

维尔茨堡大学实验物理学家MaximilianÜnzelmann说：“ARPES是实验固态物理学中的一种基本工具。它涉及将光照射在材料样品上，提取电子，并测量它们的能量和出射角。”

“这让我们可以直接看到动量空间中材料的电子结构。通过巧妙地采用这种方法，我们能够测量轨道角动量。”

然而，每次观察只能得到材料中电子的二维快照。为了证实量子龙卷风是在这个领域形成的，研究小组必须将每个测量结果叠加成一个3D模型，就像CT扫描一样。最终的结果是一个彩色的模型，显示了一个非常清晰的漩涡结构。

Ünzelmann说：“我们一层一层地分析样本，类似于医学断层扫描的工作原理。”“通过将单个图像拼接在一起，我们能够重建轨道角动量的三维结构，并确认电子在动量空间中形成漩涡。”

该团队表示，进一步的工作不仅可以带来更高效的电子产品，还可以带来一种名为轨道电子的全新设备。这也可以与电子技术的另一个潜在继承者 —— 自旋电子学一起工作，自旋电子学在电子的自旋中编码信息。

这项研究发表在《物理评论X》杂志上。

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