轨道角动量单极子的发现推动了轨道电子学在节能技术领域的发展
轨道角动量单极子一直是理论界关注的焦点，因为它们为新兴的轨道电子学领域提供了巨大的实际优势，轨道电子学是传统电子学的潜在节能替代品。现在，通过结合稳健的理论和保罗谢尔研究所 (PSI) 瑞士光源 SLS 的实验，证明了它们的存在。这一发现发表在《自然物理学》杂志上。电子技术利用电子的电荷来传输信息，而未来对环境影响较小的技术可能会利用电子的不同属性来处理信息。直到最近，自旋电子学一直是另一种“电子学”的主要竞争者。在这里，用于传输信息的属性是电子的自旋。
研究人员还在探索利用绕原子核旋转的电子的轨道角动量(OAM)的可能性：这是一个新兴领域，称为轨道电子学。该领域对存储设备有着巨大的前景，特别是因为可以用相对较小的电荷电流产生较大的磁化强度，从而实现节能设备。现在价值百万美元的问题是找到合适的材料来产生 OAM 流，这是轨道电子学的先决条件。
现在，由保罗谢尔研究所（PSI）和德国哈雷和德累斯顿马克斯普朗克研究所的科学家领导的国际研究小组表明，手性拓扑半金属（PSI 于 2019 年发现的一类新材料）所具有的特性使其成为产生 OAM 电流的非常实用的选择。
手性拓扑半金属：轨道电子学的直接解决方案
在寻找适合轨道电子学的材料方面，钛等传统材料已经取得了进展。然而，自五年前发现以来，手性拓扑半金属已成为一个有趣的竞争者。这些材料具有螺旋原子结构，这使其具有像 DNA 双螺旋一样的自然“手性”，并且可以自然地赋予它们 OAM 的图案或纹理，使其能够流动。
“这为其他材料提供了显著的优势，因为你不需要施加外部刺激来获得 OAM 纹理——它们是材料的固有属性，”PSI 科学计算、理论和数据中心的小组负责人、弗里堡大学物理学助理教授、共同领导这项最新研究的 Michael Schüler 解释说。“这可以更容易地创建稳定而高效的 OAM 电流，而无需特殊条件。”
轨道角动量单极子的吸引力大但前景难料
有一种特殊的 OAM 结构，据推测存在于手性拓扑半金属中，它吸引了研究人员的注意：OAM 单极子。在这些单极子上，OAM 从中心点向外辐射，就像一只受惊的刺猬蜷缩成一个球一样。
这些单极子如此诱人的原因在于，OAM 在所有方向上都是均匀的：即它是各向同性的。“这是一个非常有用的特性，因为它意味着 OAM 流可以在任何方向上产生，”Schüler 说。
尽管OAM单极子对轨道电子学具有吸引力，但直到这项最新研究之前，它们仍然是一个理论上的梦想。
刺猬隐藏在理论和实验之间
为了通过实验观察它们，希望寄托在一种称为角分辨光发射光谱中的圆二色性（CD-ARPES）的技术上，该技术使用来自同步加速器光源的圆偏振 X 射线。然而，理论与实验之间的差距在过去阻碍了研究人员对数据的解释。“研究人员可能已经获得了数据，但 OAM 单极子的证据却埋藏在其中，”Schüler 说。
在 ARPES 中，光照射到材料上，会发射出电子。这些发射电子的角度和能量揭示了材料电子结构的信息。在 CD-ARPES 中，入射光是圆偏振的。
“一个自然的假设是，如果你使用圆偏振光，你测量的东西与 OAM 成正比，”Schüler 解释道。“问题是，正如我们在研究中表明的那样，这是一个有点幼稚的假设。事实上，它要复杂得多。”
严谨弥补差距
在他们的研究中，Schüler 和同事在瑞士光源 SLS 上研究了两种手性拓扑半金属：由钯和镓或铂和镓制成的半金属。该团队决心揭示隐藏在复杂的 CD-ARPES 数据网络中的 OAM 纹理，他们用严谨的理论挑战了每一个假设。
然后他们采取了一项不同寻常但至关重要的额外实验步骤，即改变光子能量。“起初，数据没有意义。信号似乎到处都在变化，”舒勒说。
他们仔细分析了不同贡献如何使基于 CD-ARPES 数据的 OAM 计算变得复杂，并发现 CD-ARPES 信号并不像之前认为的那样与 OAM 成正比，而是随着光子能量的变化而围绕单极子旋转。通过这种方式，他们弥合了理论与实验之间的差距，并证明了 OAM 单极子的存在。
探索新材料中的轨道角动量纹理的大门已经打开
凭借精确可视化 OAM 单极子的能力，Schüler 及其同事继续证明，单极子的极性（无论 OAM 的尖峰指向内部还是外部）都可以通过使用具有镜像手性的晶体来反转。“这是一个非常有用的特性，因为轨道电子学设备可能会以不同的方向性制造出来，”Schüler 说。
现在，随着理论和实验的最终结合，更广泛的研究界已经具备了探索各种材料中的OAM纹理并优化其在轨道电子学中的应用的手段。
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