探索量子材料的功能，以了解自旋谷電子效應(yīng)，拓?fù)湫?yīng)和多體效應(yīng)，就必須深刻認(rèn)識(shí)到量子材料獨(dú)特的電子能帶結(jié)構(gòu)。有鑒于此，美國密歇根大學(xué)M. Kira等人發(fā)現(xiàn)，單層WSe2材料中產(chǎn)生的邊帶諧波，使得動(dòng)量空間中形成了獨(dú)特的電子干擾梳。通過擴(kuò)展計(jì)量學(xué)和超分辨率成像的頻率梳策略，研究人員從光譜學(xué)的角度定位這些動(dòng)量梳，實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)鍵能帶結(jié)構(gòu)原位超分辨層析成像。這項(xiàng)研究發(fā)展了一種實(shí)用的、全光學(xué)、全三維的電子結(jié)構(gòu)斷層掃描技術(shù)， 證明了在環(huán)境條件下直接繪制量子材料的電子結(jié)構(gòu)特性是可以實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)表在期刊《Science》上的論文首頁截圖

探尋量子的功能需要可以進(jìn)入到電子結(jié)構(gòu)的層面,構(gòu)成了精致旋轉(zhuǎn)谷-電子 .如果強(qiáng)力的光波傳輸給具有預(yù)選波段的局部的電子時(shí),拓?fù)淇臻g和多體效應(yīng)的基礎(chǔ).全光帶結(jié)構(gòu)可以直接同重建令人垂涎的量子現(xiàn)象中的電子結(jié)構(gòu)相連接.在這里,我們?yōu)榇蠹艺故玖嗽趩螌佣u(化學(xué)符號(hào)WSe2)所創(chuàng)造的在動(dòng)量空間中的具有明顯特征的電子干擾梳中產(chǎn)生諧波邊帶( harmonic sideband (HSB)).在光譜中定位這些動(dòng)量梳可以促使得到原位的關(guān)鍵鍵帶結(jié)構(gòu)的超分辨率斷層成像.我們通過一個(gè)全倍頻程實(shí)驗(yàn)了調(diào)制光學(xué)驅(qū)動(dòng)的頻率,結(jié)果表明預(yù)測(cè)得到了以臨界強(qiáng)度和HSBs中的頻率依賴性的超高分辨率艙單.我們提出的概念為大家提供了一個(gè)實(shí)用的,全光學(xué)的,全三維體層攝影術(shù)的電子結(jié)構(gòu),甚至是在微觀的量子材料的層面,鍵鍵層面都可以實(shí)現(xiàn).

量子梳照明:

圖解：光激發(fā)時(shí)(紅色和黃色的光束),電子被發(fā)現(xiàn)形成梳狀波模式.窄寬度的梳線使得探測(cè)(照亮的頂點(diǎn))量子材料的性能的高分辨率的圖像成為可能,這一結(jié)果比以前的結(jié)果要清晰銳利的多.

依據(jù)密西根大學(xué)(University of Michigan),雷根斯堡大學(xué)(University of Regensburg )和馬堡大學(xué)(University of Marburg)的研究人員的聯(lián)合研究結(jié)果,他們采用一個(gè)新的工具使用光來繪制晶體的電子結(jié)構(gòu)的地圖以揭示新興量子材料的能力和為先進(jìn)的能量技術(shù)和量子計(jì)算的發(fā)展鋪平道路.

這一最新研究成果發(fā)表在世界上著名的期刊《Science》上.

其典型應(yīng)用包括LED照明，太陽能電池和人工光合作用。

量子材料對(duì)于量子計(jì)算來說具有十分重要的意義，Mackillo Kira 說到，他是密西根大學(xué)電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的教授，他是該項(xiàng)研究的理論方面的領(lǐng)導(dǎo)者，如果你正確的優(yōu)化量子的性能，你就可以獲得幾乎光的吸收率的100% 的效率。

硅基太陽能電池已經(jīng)成為電能中最為廉價(jià)便宜的形式，盡管他們的光-能轉(zhuǎn)換效率比較低，大約為30%.新出現(xiàn)的2-D半導(dǎo)體材料，由單層晶體所組成，可以表現(xiàn)出更好的性能，具有潛在的實(shí)現(xiàn)光能的100%的轉(zhuǎn)換。他們同時(shí)還可以提升量子計(jì)算的運(yùn)行溫度從接近絕對(duì)零度到室溫的條件下工作。

如今新的量子材料的研制與發(fā)現(xiàn)比以往任何時(shí)候都要快，Rupert Huber說到，他是德國雷根斯堡大學(xué)的物理學(xué)教授，目前是該實(shí)驗(yàn)工作的領(lǐng)導(dǎo)者。僅僅通過簡單的層層堆積這些材料以不同的扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行堆積，同時(shí)在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行材料的選擇，科學(xué)家們就可以創(chuàng)造出任何人工合成的固體，該固體材料的性質(zhì)是前所未有的的。

將這些性質(zhì)覆蓋到原子層面的能力可以幫助將工藝進(jìn)入到流水線的層面來設(shè)計(jì)具有正確的量子結(jié)構(gòu)的層次。但這些超薄的材料同以前的晶體相比較，具有非常小和難以處理的特點(diǎn)，并且舊的分析方法也不適用于這些材料。如今，2-D材料可以采用新的以激光為基礎(chǔ)的測(cè)量辦法在室溫下和一定的壓力下實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

可測(cè)量的運(yùn)行方式包括對(duì)太陽能電池，激光和光學(xué)驅(qū)動(dòng)的量子計(jì)算來說比較關(guān)鍵的工藝。尤其是基態(tài)之間的電子爆裂，此時(shí)他們不能實(shí)現(xiàn)旅行，并且在半導(dǎo)體的導(dǎo)電間的狀態(tài)，具有自由在空間移動(dòng)的能力。他們通過吸收和發(fā)射光來實(shí)現(xiàn)這些狀態(tài)。

量子映射法是采用100飛秒（1秒的100千萬億分之一）的脈沖紅光來將基臺(tái)的電子爆裂開來并進(jìn)入到導(dǎo)電的能級(jí)。接下來電子就會(huì)同一個(gè)二次紅外光的脈沖相撞擊。這推動(dòng)他們以至于他們?cè)趯?dǎo)電的能級(jí)中的能量谷中上下擺動(dòng)，有點(diǎn)像半管中的滑板運(yùn)動(dòng)員。

研究團(tuán)隊(duì)使用雙波/粒子的電子的本質(zhì)來創(chuàng)造一個(gè)駐波的模式，像一個(gè)梳子。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)這一電子梳的頂點(diǎn)同材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)相重疊的時(shí)候，即它的量子結(jié)構(gòu)——電子發(fā)射強(qiáng)力的光。功能強(qiáng)大的光的發(fā)射沿著梳線的窄寬進(jìn)行，有助于創(chuàng)造出一個(gè)圖像且該圖像非常尖銳以至于研究人員稱之為高分辨率。

通過結(jié)合精確的位置信息以及光的頻率等信息，研究團(tuán)隊(duì)可以映射出2-D二硒化鎢半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。不僅如此，他們還可以通過空間內(nèi)光波的扭曲的前方得到并讀取每一個(gè)電子的軌道角動(dòng)量。操控一個(gè)電子的軌道角動(dòng)量，就是眾所周知的贗自旋，這是一種存儲(chǔ)和處理量子信息的非常有前途的途徑。

在二硒化鎢中，軌道角動(dòng)量可以識(shí)別出一個(gè)電子所占據(jù)的兩個(gè)不同的“谷”。這一信息就是電子輸送出可以讓研究人員不僅掌握電子“谷”，也可以掌握這一“谷”所看起來像何種風(fēng)景，并且這一“谷”有多遠(yuǎn)，這些是設(shè)計(jì)新型的半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的量子器件的關(guān)鍵元素。

例如，當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)使用激光來推動(dòng)電子升高到一個(gè)“谷”的邊緣處的頂部直到他們陷入到另外一個(gè)電子中，電子在這一下墜的點(diǎn)發(fā)射光。這一光給予了“谷”深度的背景信息和他們之間的脊的高度的信息。給予這些信息，研究人員可以找出這些材料如何據(jù)此成功的制造出具有廣泛用途的器件來。

這一研究成果以論文題目“Super-resolution lightwave tomography of electronic bands in quantum materials”發(fā)表在期刊《Science》上。

文章來源:"Super-resolution lightwave tomography of electronic bands in quantum materials" Science (2020).

Vol. 370, Issue 6521, pp. 1204-1207,DOI: 10.1126/science.abe2112,https://www.sciencemag.org/about/science-licenses-journal-article-reuse