科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

軌道角動(dòng)量（OAM）單極子目前是理論物理學(xué)研究的重點(diǎn)，因?yàn)樗鼮樾屡d的軌道電子學(xué)帶來巨大的實(shí)際優(yōu)勢(shì)。最近，科學(xué)家結(jié)合理論分析與瑞士光源（SLS）的實(shí)驗(yàn)工作，證實(shí)了這些單極子的存在。該發(fā)現(xiàn)27日發(fā)表在《自然·物理學(xué)》雜志上。

軌道電子學(xué)是一種比傳統(tǒng)電子學(xué)更加節(jié)能的技術(shù)，其關(guān)鍵是OAM。現(xiàn)在，由瑞士保羅謝爾研究所和德國(guó)馬克斯·普朗克研究所領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，手性拓?fù)浒虢饘倬哂猩蒓AM電流的理想特性。這類材料擁有螺旋結(jié)構(gòu)，天然地賦予了材料OAM的特定模式或紋理，使其能夠流動(dòng)。而一種特殊的OAM構(gòu)造——OAM單極子，在這些材料中特別引人注目。在這個(gè)單極子中，OAM從中心點(diǎn)向四周輻射，類似于一只蜷縮成球的刺猬。

OAM單極子之所以吸引人，是因?yàn)樗腛AM在所有方向上都是均勻分布的，意味著信息流可在任何方向上產(chǎn)生。為了觀察到單極子，團(tuán)隊(duì)采用了圓二色性角分辨光發(fā)射光譜（CD-ARPES）技術(shù)。但是，以往由于理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差距，人們難以準(zhǔn)確解釋數(shù)據(jù)。

為此，團(tuán)隊(duì)使用SLS對(duì)手性拓?fù)浒虢饘龠M(jìn)行測(cè)試，并通過嚴(yán)格的理論檢驗(yàn)每一個(gè)假設(shè)，進(jìn)而采取了一個(gè)額外的關(guān)鍵步驟——改變光子的能量。經(jīng)過細(xì)致的數(shù)據(jù)分析，他們發(fā)現(xiàn)CD-ARPES信號(hào)并不直接與OAM成正比，而是隨著光子能量的變化而變化。這樣，他們成功彌合了理論與實(shí)驗(yàn)間的鴻溝，并確認(rèn)了OAM單極子的存在。

此外，團(tuán)隊(duì)還展示了OAM單極子的極性可以通過使用具有相反手性的晶體來翻轉(zhuǎn)，這意味著OAM的方向可以控制。這對(duì)于未來設(shè)計(jì)不同方向特性的軌道電子學(xué)器件來說非常有價(jià)值。

總編輯圈點(diǎn)

傳統(tǒng)的電子技術(shù)依賴于電子的電荷來傳輸信息，但未來更環(huán)保的技術(shù)可能會(huì)利用電子的其他屬性，比如自旋或OAM。后者的設(shè)想是使用電子繞原子核旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的OAM作為信息載體，這就帶來了軌道電子學(xué)。現(xiàn)在，憑借本文的研究，軌道電子學(xué)對(duì)于未來存儲(chǔ)設(shè)備的巨大潛力得以體現(xiàn)。它可以用相對(duì)很小的電流，就產(chǎn)生很大的磁化強(qiáng)度，給人們帶來更節(jié)能高效的電子裝置。