軌道角動量單極子證實存在

科技日報北京9月27日電 （記者張夢然）軌道角動量（OAM）單極子目前是理論物理學研究的重點，因為它為新興的軌道電子學帶來巨大的實際優勢。最近，科學家結合理論分析與瑞士光源（SLS）的實驗工作，證實了這些單極子的存在。該發現27日發表在《自然·物理學》雜志上。

軌道電子學是一種比傳統電子學更加節能的技術，其關鍵是OAM。現在，由瑞士保羅謝爾研究所和德國馬克斯·普朗克研究所領導的一個國際團隊已經證明，手性拓撲半金屬具有生成OAM電流的理想特性。這類材料擁有螺旋結構，天然地賦予了材料OAM的特定模式或紋理，使其能夠流動。而一種特殊的OAM構造——OAM單極子，在這些材料中特別引人注目。在這個單極子中，OAM從中心點向四周輻射，類似于一只蜷縮成球的刺猬。

OAM單極子之所以吸引人，是因為它的OAM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生。為了觀察到單極子，團隊采用了圓二色性角分辨光發射光譜（CD-ARPES）技術。但是，以往由于理論預測與實驗結果之間的差距，人們難以準確解釋數據。

為此，團隊使用SLS對手性拓撲半金屬進行測試，并通過嚴格的理論檢驗每一個假設，進而采取了一個額外的關鍵步驟——改變光子的能量。經過細致的數據分析，他們發現CD-ARPES信號并不直接與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驗間的鴻溝，并確認了OAM單極子的存在。

此外，團隊還展示了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，這意味著OAM的方向可以控制。這對于未來設計不同方向特性的軌道電子學器件來說非常有價值。

傳統的電子技術依賴于電子的電荷來傳輸信息，但未來更環保的技術可能會利用電子的其他屬性，比如自旋或OAM。后者的設想是使用電子繞原子核旋轉時產生的OAM作為信息載體，這就帶來了軌道電子學。現在，憑借本文的研究，軌道電子學對于未來存儲設備的巨大潛力得以體現。它可以用相對很小的電流，就產生很大的磁化強度，給人們帶來更節能高效的電子裝置。