旋转系统一直是物理学的重点研究方向，其理论基础从经典力学延伸至量子力学领域。在经典体系中，旋转坐标系下的科里奥利力与离心力效应已被系统地描述。然而，量子旋转系统的独特之处在于其非惯性效应与量子特性的深度耦合。近年来，随着低维材料 (例如石墨烯、碳纳米管) 和拓扑量子器件的迅猛发展，旋转对量子态调控、自旋轨道耦合以及相对论性粒子的影响逐渐成为研究热点。与此同时，在引力与宇宙学领域，关于旋转时空背景下量子场行为的研究也在不断深入，揭示了旋转参数与拓扑缺陷、真空涨落等概念之间深刻的联系。巴西阿拉戈斯联邦大学的Márcio M. Cunha博士及其团队在 Universe 期刊上发表了一篇文章，系统地综述了量子自旋体系在非相对论与相对论框架下的理论进展，并探讨了其在凝聚态物理、高能物理与引力理论中的交叉应用。
研究过程与结果
在非相对论量子体系中，旋转效应通过哈密顿量中角动量与旋转参数的耦合，显著地改变了系统的能谱。以一维量子环为例，旋转导致的能量偏移项mℏΩ与Aharonov-Bohm磁通效应直接类比，展现了电磁势与惯性势之间深刻的对应关系。在二维量子盘的研究中，进一步揭示了旋转对朗道能级的调制作用：当磁场与旋转角速度满足Ω=qB/2me时，系统会出现类似谐振子的简并态，而持续电流与磁化强度的表达式中则出现了Barnett效应的量子版本。对于含有自旋的泡利方程，旋转不仅引入了类塞曼项ℏσ⋅Ω/2，还通过自旋-轨道耦合影响了量子输运特性。例如，在碳纳米管中，旋转诱导的纯自旋流现象为自旋电子学器件的设计提供了新的思路。
在相对论框架下，旋转时空的度规ds2=(1−Ω2r2)dt2−2Ωr2dϕdt−r2dϕ2重构了狄拉克方程的解空间。研究发现，中微子在旋转坐标系中的传播会产生产率宇称破缺流，其方向与角速度矢量相反。在拓扑缺陷与旋转的协同效应中，锥形几何 (例如石墨烯缺陷) 的度规ds2=dt2−dρ2−α2ρ2dϕ2导致量子态出现分数角动量量子化，而碳纳米管的螺旋旋转则通过等效曲率场诱导能谷极化。更值得注意的是，超流体氦的旋转涡旋被证明可以模拟旋转黑洞时空的量子效应，为在实验室中验证霍金辐射与超辐射现象开辟了可能性。
研究总结
本文系统地梳理了量子旋转体系的理论基础与前沿进展，揭示了旋转参数在量子调控中的普适性作用。在非相对论领域，旋转与电磁场的对偶性为量子模拟提供了新的范式；在相对论框架下，旋转时空的几何效应架起了凝聚态物理与引力理论之间的桥梁。研究特别指出，拓扑缺陷与旋转的耦合效应在低维材料中展现出了独特的量子特性，例如碳六十分子旋转诱导的几何相位与纳米管中的自旋流调控。这些发现不仅深化了人们对量子非惯性效应的理解，而且为量子传感、拓扑量子计算及类引力场模拟器等跨学科器件的设计奠定了理论基础。未来的研究可以进一步探索极端旋转条件下 (例如相对论性角速度) 的量子行为，以及旋转 - 拓扑-相对论效应的协同调控机制，为新一代量子技术开辟更广阔的应用场景。
原文出自 Universe 期刊：https://www.mdpi.com/2984442
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/universe
Universe 期刊介绍
主编：Prof. Dr. Lorenzo Iorio, Ministero dell'Istruzione e del Merito, Viale Unità di Italia, Italy
期刊涵盖宇宙学、引力、场论、量子力学基础、核物理与粒子物理、天体物理与天文学以及空间科学等研究领域。自2015年创刊以来，被 SCIE、Scopus、ADS 等多个权威数据库收录。
2023 Impact Factor：2.5
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Acceptance to Publication：2.9 Days
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