探索量子材料的功能，以了解自旋穀電子效應，拓撲效應和多體(ti) 效應，就必須深刻認識到量子材料獨特的電子能帶結構。有鑒於(yu) 此，美國密歇根大學M. Kira等人發現，單層WSe2材料中產(chan) 生的邊帶諧波，使得動量空間中形成了獨特的電子幹擾梳。通過擴展計量學和超分辨率成像的頻率梳策略，研究人員從(cong) 光譜學的角度定位這些動量梳，實現了對關(guan) 鍵能帶結構原位超分辨層析成像。這項研究發展了一種實用的、全光學、全三維的電子結構斷層掃描技術， 證明了在環境條件下直接繪製量子材料的電子結構特性是可以實現的。

發表在期刊《Science》上的論文首頁截圖

探尋量子的功能需要可以進入到電子結構的層麵,構成了精致旋轉穀-電子 .如果強力的光波傳(chuan) 輸給具有預選波段的局部的電子時,拓撲空間和多體(ti) 效應的基礎.全光帶結構可以直接同重建令人垂涎的量子現象中的電子結構相連接.在這裏,我們(men) 為(wei) 大家展示了在單層二硒化鎢(化學符號WSe2)所創造的在動量空間中的具有明顯特征的電子幹擾梳中產(chan) 生諧波邊帶( harmonic sideband (HSB)).在光譜中定位這些動量梳可以促使得到原位的關(guan) 鍵鍵帶結構的超分辨率斷層成像.我們(men) 通過一個(ge) 全倍頻程實驗了調製光學驅動的頻率,結果表明預測得到了以臨(lin) 界強度和HSBs中的頻率依賴性的超高分辨率艙單.我們(men) 提出的概念為(wei) 大家提供了一個(ge) 實用的,全光學的,全三維體(ti) 層攝影術的電子結構,甚至是在微觀的量子材料的層麵,鍵鍵層麵都可以實現.

量子梳照明:

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

依據密西根大學(University of Michigan),雷根斯堡大學(University of Regensburg )和馬堡大學(University of Marburg)的研究人員的聯合研究結果,他們(men) 采用一個(ge) 新的工具使用光來繪製晶體(ti) 的電子結構的地圖以揭示新興(xing) 量子材料的能力和為(wei) 先進的能量技術和量子計算的發展鋪平道路.

這一最新研究成果發表在世界上著名的期刊《Science》上.

其典型應用包括LED照明，太陽能電池和人工光合作用。

量子材料對於(yu) 量子計算來說具有十分重要的意義(yi) ，Mackillo Kira 說到，他是密西根大學電子工程和計算機科學的教授，他是該項研究的理論方麵的領導者，如果你正確的優(you) 化量子的性能，你就可以獲得幾乎光的吸收率的100% 的效率。

矽基太陽能電池已經成為(wei) 電能中最為(wei) 廉價(jia) 便宜的形式，盡管他們(men) 的光-能轉換效率比較低，大約為(wei) 30%.新出現的2-D半導體(ti) 材料，由單層晶體(ti) 所組成，可以表現出更好的性能，具有潛在的實現光能的100%的轉換。他們(men) 同時還可以提升量子計算的運行溫度從(cong) 接近絕對零度到室溫的條件下工作。

如今新的量子材料的研製與(yu) 發現比以往任何時候都要快，Rupert Huber說到，他是德國雷根斯堡大學的物理學教授，目前是該實驗工作的領導者。僅(jin) 僅(jin) 通過簡單的層層堆積這些材料以不同的扭轉角進行堆積，同時在一定的範圍內(nei) 進行材料的選擇，科學家們(men) 就可以創造出任何人工合成的固體(ti) ，該固體(ti) 材料的性質是前所未有的的。

將這些性質覆蓋到原子層麵的能力可以幫助將工藝進入到流水線的層麵來設計具有正確的量子結構的層次。但這些超薄的材料同以前的晶體(ti) 相比較，具有非常小和難以處理的特點，並且舊的分析方法也不適用於(yu) 這些材料。如今，2-D材料可以采用新的以激光為(wei) 基礎的測量辦法在室溫下和一定的壓力下實現測量。

可測量的運行方式包括對太陽能電池，激光和光學驅動的量子計算來說比較關(guan) 鍵的工藝。尤其是基態之間的電子爆裂，此時他們(men) 不能實現旅行，並且在半導體(ti) 的導電間的狀態，具有自由在空間移動的能力。他們(men) 通過吸收和發射光來實現這些狀態。

量子映射法是采用100飛秒（1秒的100千萬(wan) 億(yi) 分之一）的脈衝(chong) 紅光來將基台的電子爆裂開來並進入到導電的能級。接下來電子就會(hui) 同一個(ge) 二次紅外光的脈衝(chong) 相撞擊。這推動他們(men) 以至於(yu) 他們(men) 在導電的能級中的能量穀中上下擺動，有點像半管中的滑板運動員。

研究團隊使用雙波/粒子的電子的本質來創造一個(ge) 駐波的模式，像一個(ge) 梳子。他們(men) 發現當這一電子梳的頂點同材料的能級結構相重疊的時候，即它的量子結構——電子發射強力的光。功能強大的光的發射沿著梳線的窄寬進行，有助於(yu) 創造出一個(ge) 圖像且該圖像非常尖銳以至於(yu) 研究人員稱之為(wei) 高分辨率。

通過結合精確的位置信息以及光的頻率等信息，研究團隊可以映射出2-D二硒化鎢半導體(ti) 的能帶結構。不僅(jin) 如此，他們(men) 還可以通過空間內(nei) 光波的扭曲的前方得到並讀取每一個(ge) 電子的軌道角動量。操控一個(ge) 電子的軌道角動量，就是眾(zhong) 所周知的贗自旋，這是一種存儲(chu) 和處理量子信息的非常有前途的途徑。

在二硒化鎢中，軌道角動量可以識別出一個(ge) 電子所占據的兩(liang) 個(ge) 不同的“穀”。這一信息就是電子輸送出可以讓研究人員不僅(jin) 掌握電子“穀”，也可以掌握這一“穀”所看起來像何種風景，並且這一“穀”有多遠，這些是設計新型的半導體(ti) 為(wei) 基礎的量子器件的關(guan) 鍵元素。

例如，當研究團隊使用激光來推動電子升高到一個(ge) “穀”的邊緣處的頂部直到他們(men) 陷入到另外一個(ge) 電子中，電子在這一下墜的點發射光。這一光給予了“穀”深度的背景信息和他們(men) 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此成功的製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