新显微镜为科学家提供前所未有的动量空间视图

以不同方式观察电子

在传统显微镜中,目标是看到物体的位置——绘制原子、分子和结构在物理空间中的空间排列。但在量子物理学中,同样重要的是动量空间:一个数学表示,说明粒子如何在可能的速度和运动方向上分布。动量空间中电子的行为决定了量子材料的许多最有趣的性质,包括超导性、拓扑现象以及使某些材料有望用于量子计算的非凡电学特性。

研究人员开发的新显微镜在动量空间中实现了前所未有的空间分辨率,使物理学家能够观察量子能带结构——控制电子在晶体材料中的行为方式的能量-动量关系——其细节程度以前是无法获得的。这一进步在技术上很重要,但其影响涉及量子物理和材料科学的各个方面。

动量空间成像揭示了什么

当电子通过晶体运动时,它们与原子晶格的周期势相互作用,产生不同的允许能带和禁带。这些能带的形状——电子能量如何随着不同方向的动量而变化——决定了材料是否自由导电、充当半导体、成为超导体或表现出可在容错量子计算中利用的奇异拓扑表面态。

探测能带结构的现有技术,尤其是角分辨光电子能谱法,一直非常有成效,但在空间分辨率方面受到限制。它们测量的是在相对较大的样品区域上平均的动量空间性质,掩盖了可能对理解为什么某种材料的某些样品表现不同于其他样品至关重要的局部变化——这在研究高温超导体和其他强关联系统时一直令人沮丧。

技术成就

新仪器将集中的电子或光子探针与改进的检测器几何形状和信号处理相结合,以实现比传统光电发射小几个数量级的空间尺度上的动量空间分辨率。实际上,这意味着研究人员现在可以绘制单个纳米级特征(晶界、缺陷位置、不同材料之间的界面)的能带结构,而不是对宏观样品区域进行平均。

看到量子电子结构如何在界面处变化的能力特别重要。现代凝聚态物理学中许多最有趣的量子现象正好发生在材料之间的边界处:氧化物界面处的二维电子气、拓扑绝缘体中的拓扑表面态以及非常规超导体中的配对相关性都是界面现象,直到现在才仅用空间平均的探针进行研究。

材料发现中的应用

主要的近期应用是表征用于计算和传感应用的量子材料候选物。对室温超导体的搜索已经进行了数十年。一个中心障碍是理解为什么有希望的候选材料在某些样品中显示超导性,而在其他样品中则不显示,以及为什么这种行为在样品的某些部分出现,而在其他部分则不出现。

空间分辨的动量空间显微镜可以直接解决这些问题,使研究人员能够以提供机制洞察而不是统计平均值的方式将局部结构变化与局部电子性质相关联。这一洞察可以加快确定哪些条件对于稳定超导行为是必要的——以及这些条件是否可以在真实材料中可靠地进行工程设计。

更广泛的物理学含义

除了材料应用外,改进的动量空间成像对基础物理研究有影响。量子相变的研究——其中材料根据压力、温度或磁场改变其电子基态——受益于能够观察该转变如何在局部而不是全局进行的探针。材料的不同部分是否同时进入新的相,还是过渡在特定位置核化并扩散?这些问题对于现有工具来说一直很难回答,但对于空间分辨的动量空间显微镜来说变得可以处理。

该技术还为研究非平衡现象开辟了可能性:在被超短激光脉冲击中的飞秒内,量子材料的动量空间结构会发生什么。新显微镜的泵探针版本可以提供超快电子动力学的实时视频,这对于理解光驱动的相变和量子态的潜在光学控制至关重要。

本文基于Phys.org的报道。阅读原文。