Nature Physics｜量子显微镜研究让电子在慢动作中清晰可见

近日，斯图加特大学的研究团队开发量子显微镜，这使他们首次能够以极高的空间和时间分辨率记录原子级的电子运动。 研究成果以「Shaoxiang Sheng et al, Terahertz spectroscopy of collective charge density wave dynamics at the atomic scale」为题发表在 Nature Physics（《自然-物理学》）上。Shaoxiang Sheng、Mohamad Abdo、Steffen Rolf-Pissarczyk为共同第一作者，Sebastian Loth为通讯作者。

论文截图

时间分辨扫描隧道显微镜的成像尖端通过超快太赫兹脉冲捕捉材料中的集体电子运动。

在 Sebastian Loth 教授的领导下，斯图加特大学的物理学家们正在开发量子显微镜，这使他们首次能够以极高的空间和时间分辨率记录原子级的电子运动。他们的方法有可能使科学家们以比以前更有针对性的方式开发材料。研究人员在 Nature Physics（《自然-物理学》）上发表了他们的研究成果。

斯图加特大学功能物质和量子技术研究所（FMQ）所长洛特教授说：「利用我们开发的方法，我们可以让以前没有人见过的东西变得可见。这使得解决自 20 世纪 80 年代以来一直悬而未决的有关固体中电子运动的问题成为可能。」

洛特研究小组的发现对于开发新材料也具有非常实际的意义。

• 微小变化带来宏观影响

在金属、绝缘体和半导体中，物理世界非常简单。如果在原子水平上改变几个原子，其宏观特性将保持不变。例如，经过这种改变的金属仍然导电，而绝缘体则不导电。

然而，对于只能在实验室中生产的更先进的材料来说，情况就不同了--原子级的微小变化会导致新的宏观行为。例如，其中一些材料会突然从绝缘体变为超导体，即它们会导电而不会散热。

这些变化可以在皮秒内极其迅速地发生，因为它们直接在原子尺度上影响电子在材料中的运动。皮秒极短，仅为万亿分之一秒。它与眨眼的比例就像眨眼与 3000 多年的时间一样。

• 记录电子集体运动

洛特的工作小组现在已经找到了一种方法，可以在原子水平上观察这些材料在这种微小变化时的行为。具体来说，科学家们研究了一种由铌和硒元素组成的材料，在这种材料中，有一种效应可以相对不受干扰地观察到：电子在电荷密度波中的集体运动。

洛特和他的团队研究了单个杂质如何阻止这种集体运动。为此，斯图加特的研究人员对材料施加了一个极短的电脉冲，持续时间只有一皮秒。电荷密度波被压向杂质，并向电子集体发送纳米级的扭曲，从而在短时间内导致材料中的电子运动变得非常复杂。

洛特在斯图加特大学任职之前，一直在汉堡马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所（MPSD）从事研究工作。

• 开发具有理想特性的材料

洛特解释说：「如果我们能够了解电子集体的运动是如何停止的，那么我们就能以更有针对性的方式开发出具有所需特性的材料。或者换一种说法：由于不存在没有杂质的完美材料，因此所开发的显微镜方法有助于了解杂质应如何排列才能达到理想的技术效果。」

洛特提出，原子层面的设计对材料的宏观特性有直接影响。例如，这种效应可用于未来传感器或电子元件中的超快开关材料。

• 每秒重复 4100 万次的实验

洛特解释，目前已经有了一些可视化单个原子或其运动的方法。「但使用这些方法，要么可以实现高空间分辨率，要么可以实现高时间分辨率。」

为了让新的斯图加特显微镜同时实现这两个目标，这位物理学家和他的团队将扫描隧道显微镜（可在原子水平上分辨材料）与超快光谱学方法（即泵探针光谱学）相结合。

为了进行必要的测量，实验室装置必须有极好的屏蔽。振动、噪音和空气流动以及室内温度和湿度的波动都是有害的。洛特指出：「这是因为我们测量的信号极其微弱，否则很容易在背景噪声中丢失。」

此外，研究小组必须经常重复这些测量，才能获得有意义的结果。研究人员对他们的显微镜进行了优化，使其每秒重复实验 4100 万次，从而获得了特别高的信号质量。洛特说：「到目前为止，只有我们做到了这一点。」

本研究得到欧盟地平线2020研究和创新计划（ERC-2014-StG-633818-dasQ）下欧洲研究委员会（ERC）的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41567-024-02552-7

来源：PHYS ORG，爱科会易仅用于学术交流