拓撲量子材料被視為節能電子和未來高科技的希望燈塔。這些材料的一個顯著特點是能夠在其表面傳導自旋極化電子，而在內部則不導電。從這個角度來看： 在自旋極化電子中，固有角動量，即粒子（自旋）的旋轉方向，並不是純粹隨機排列的。

研究人員利用X 射線（圖中綠色部分），在金屬TbV6Sn6 上創造出了三維電影般的效果。通過這種方法，他們成功追踪到了電子（圖中的藍色和黃色）的行為，並在理解量子材料方面向前邁進了一步。圖片來源：Jörg Bandmann/ct.qmat)

為了區分拓撲材料和傳統材料，科學家們習慣於研究它們的表面電流。然而，電子的拓撲結構與其量子力學波特性和自旋密切相關。現在，這種關係已經通過光電效應得到了直接證明–在光的作用下，電子從金屬等材料中釋放出來。

維爾茨堡ct.qmat 的創始成員、該項目的理論物理學家之一喬治-桑焦萬尼（Giorgio Sangiovanni）教授將這一發現比作用3D眼鏡來觀察電子的拓撲結構。他解釋說”電子和光子可以被量子力學地描述為波和粒子。因此，電子具有自旋，我們可以利用光電效應測量電子的自旋。

為此，研究小組使用了圓偏振X 射線光–具有轉矩的光粒子。桑焦萬尼詳細解釋道：”當光子遇到電子時，量子材料發出的信號取決於光子是右旋還是左旋。換句話說，電子自旋的方向決定了左旋光束和右旋光束之間信號的相對強度。因此，我們可以把這個實驗想像成3D 電影院裡的偏振眼鏡，在那裡也會使用不同方向的光束。我們的’3D 眼鏡’讓電子的拓撲結構清晰可見”。

由維爾茨堡-德累斯頓卓越研究小組ct.qmat（量子物質中的複雜性和拓撲學）領導的這一突破性實驗及其理論描述，是從拓撲學角度描述量子材料特徵的首次成功嘗試。桑焦萬尼指出了粒子加速器在實驗中的重要作用，他說：”我們需要同步加速器來產生這種特殊的X 射線光，並創造出’3D 電影’效果”。

研究人員歷時三年，終於取得了這一巨大成功。他們的起點是量子材料”Kagome”金屬TbV6Sn6。在這一類特殊材料中，原子晶格混合了三角形晶格和蜂窩狀晶格，其結構讓人聯想到日本的花籃編織。鹿目金屬在ct.qmat的材料研究中發揮著重要作用。

“在我們的實驗同事開始同步加速器實驗之前，我們需要模擬實驗結果，以確保我們走在正確的軌道上。第一步，我們設計了理論模型，並在超級計算機上進行了計算，”項目負責人、理論物理學家Domenico di Sante 博士說，他同時也是維爾茨堡合作研究中心（SFB）1170 ToCoTronics 的準成員。測量結果與理論預測完全吻合，使研究小組能夠直觀地看到並確認可果美的金屬拓撲結構。

參與該研究項目的科學家來自意大利（博洛尼亞、米蘭、的里雅斯特、威尼斯）、英國（聖安德魯斯）、美國（波士頓、聖巴巴拉）和維爾茨堡。用於模擬的超級計算機在慕尼黑，同步加速器實驗在的里雅斯特進行。”Sangiovanni教授總結道：”這些研究成果完美地詮釋了理論物理學和實驗物理學協同工作所能產生的非凡成果。