电子的被遗忘性质

从电子学到自旋电子学，再到如今的轨道电子学：在经典电子学中，主要是电子的电荷起主导作用。在量子计算和自旋电子学等现代方法中，焦点已转向电子的自旋。如今，另一种特性正成为关注焦点：轨道角动量（OAM）。简而言之，OAM描述的是电子在原子内的运动方式——并非经典轨道，而是量子力学分布状态下的轨道运动。

德国尤利希研究中心彼得·格伦伯格研究所（PGI-6）的Christian Tusche博士解释道："数十年来，自旋被视为新型量子技术的核心参数。但轨道角动量作为信息载体同样具有巨大潜力——且稳定性显著更高。"这位物理学家是发表在《先进材料》期刊上该项研究的首席作者之一。

轨道角动量是电子的基本量子数之一，类似于描述电子表观旋转的自旋。然而在晶体中，OAM鲜少可被观测到。它通常被晶格中的对称电磁场所抑制——这种现象被称为"淬灭"。

由Christian Tusche领导的团队与来自台湾、日本、意大利、美国和德国的合作伙伴现已成功证实：在诸如所研究的硅化钴（CoSi）等手性材料中，情况则截然不同。"手性（chiral）"一词源自古希腊语中表示"手"的"cheir"。"这些晶体结构缺乏镜像对称性，具有左旋或右旋特性——如同人类双手。你可以旋转它们，但彼此始终互为镜像，"Tusche博士解释说。手性在自然界普遍存在，糖分子、氨基酸和DNA均呈现手性结构。

研究人员通过高分辨率动量显微镜和圆偏振光，首次成功解析了这种手性半导体内部及表面的轨道角动量。测量使用尤利希研究中心在意大利特里雅斯特Elettra同步辐射光源运行的NanoESCA动量显微镜完成。他们发现晶体的手性方向——左旋或右旋——可预测地影响电子的轨道角动量。

晶体结构与电子的新关联

尤利希实验物理学家Ying-Jiun Chen博士强调："我们的结果表明晶体结构直接影响电子角动量——这是我们首次直接测量到的效应。这为材料研究和信息处理开启了一扇全新的大门。"

尤利希彼得·格伦伯格研究所（PGI-1）理论物理学家Dongwook Go博士补充道："该发现对新兴的轨道电子学领域尤为重要，该领域利用轨道角动量作为下一代量子技术的信息载体。"

所形成的轨道角动量结构特征表现为不同形态的费米弧：在动量显微镜生成的所谓动量空间表征图中显现的开放弧状结构。这为应用开辟了新视角：未来信息传输与存储不仅可通过电子电荷或自旋实现，还能借助其轨道角动量的方向与取向。这种基于轨道特性的所谓轨道电子学，有望为新型电子设备奠定基础。

多样化应用潜力

欧盟正通过EIC探路者计划OBELIX资助该未来技术的开发，美因茨大学的Yuriy Mokrousov教授也参与其中。这位理论物理学家同时担任尤利希彼得·格伦伯格研究所（PGI-1）课题组负责人，并为此次发现提供了基础理论模型。

尤利希研究中心彼得·格伦伯格电子特性研究所（PGI-6）所长Claus Michael Schneider教授同样看好其前景："例如，利用轨道角动量作为信息载体具有可行性。或者采用圆偏振光选择性调控晶体手性，实现光控非机械开关以替代晶体管。此外，轨道角动量与自旋的耦合可促进现有自旋电子学概念的整合——例如在混合量子器件中。"