量子显微镜研究使电子以慢动作可见

斯图加特大学物理学家在塞巴斯蒂安·洛特教授的领导下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水平上的电子运动。

他们的方法有可能使科学家能够以比以前更有针对性的方式开发材料。研究人员已在《自然物理学》杂志上发表了他们的研究成果。

“利用我们开发的方法，我们可以将以前从未见过的东西可视化，”斯图加特大学功能物质和量子技术研究所 (FMQ) 的常务董事 Loth 教授说道。“这使得解决自 20 世纪 80 年代以来一直未解的有关固体中电子运动的问题成为可能。”Loth 团队的发现对于新材料的开发也具有非常实际的意义。

微小变化带来宏观后果

在金属、绝缘体和半导体中，物理世界很简单。如果你在原子层面上改变几个原子，宏观性质保持不变。例如，以这种方式修改的金属仍然具有导电性，而绝缘体则不具有导电性。

然而，更先进的材料的情况则不同，这些材料只能在实验室中生产——原子级的最小变化会引起新的宏观行为。例如，其中一些材料突然从绝缘体变为超导体，即它们导电而无热损失。

这些变化发生得非常快，在皮秒内，因为它们直接在原子尺度上影响电子在物质中的运动。皮秒非常短，只有万亿分之一秒。它与眨眼的比例与眨眼与 3,000 多年的时间的比例相同。

记录电子集体的运动

Loth 的工作组现在已经找到了一种方法来观察这些材料在原子层面上发生如此微小变化时的行为。具体来说，科学家们研究了一种由铌和硒元素组成的材料，其中可以相对不受干扰地观察到一种效应：电荷密度波中电子的集体运动。

Loth 和他的团队研究了单一杂质如何阻止这种集体运动。为此，斯图加特的研究人员向材料施加了一个极短的电脉冲，持续时间仅为一皮秒。电荷密度波被压向杂质，并向电子集体中发送纳米级的扭曲，从而导致材料中电子在短时间内发生高度复杂的运动。

现在展示的结果的重要前期工作是在斯图加特的马克斯普朗克固体研究所(MPI FKF)和汉堡的马克斯普朗克物质结构与动力学研究所(MPSD)完成的，Loth 在被任命到斯图加特大学之前一直在这些研究所进行研究。

开发具有所需特性的材料

“如果我们能够理解电子集体运动是如何停止的，那么我们也可以更有针对性地开发具有所需特性的材料，”洛斯解释道。或者换句话说：由于没有完美的材料没有杂质，开发的显微镜方法有助于了解杂质应如何排列才能达到所需的技术效果。

洛斯说：“原子级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速开关材料。

每秒重复 4100 万次的实验

“目前已有可视化单个原子或其运动的成熟方法，”Loth 解释道。“但利用这些方法，你既可以实现高空间分辨率，也可以实现高时间分辨率。”

为了让斯图加特的新显微镜实现这两个目标，物理学家和他的团队将扫描隧道显微镜(可在原子水平上解析材料)与称为泵探测光谱的超快光谱方法相结合。

为了进行必要的测量，实验室设备必须有极好的屏蔽。振动、噪音和空气流动都是有害的，室温和湿度的波动也是如此。“这是因为我们测量的是极弱的信号，否则这些信号很容易在背景噪音中丢失，”洛斯指出。

此外，为了获得有意义的结果，该团队必须非常频繁地重复这些测量。研究人员能够优化他们的显微镜，使其每秒重复实验 4100 万次，从而实现特别高的信号质量。“到目前为止，只有我们做到了这一点，”洛特说。