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)識到量子材料獨特的電子能帶結(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，使得動量空間中形成了獨特的電子干擾梳。通過擴展計量學(xué)和超分辨率成像的頻率梳策略，研究人員從光譜學(xué)的角度定位這些動量梳，實現(xiàn)了對關(guān)鍵能帶結(jié)構(gòu)原位超分辨層析成像。這項研究發(fā)展了一種實用的、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 .如果強力的光波傳輸給具有預(yù)選波段的局部的電子時,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WSe2)所創(chuàng)造的在動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.我們通過一個全倍頻程實驗了調(diào)制光學(xué)驅(qū)動的頻率,結(jié)果表明預(yù)測得到了以臨界強度和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實用的,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,鍵鍵層面都可以實現(xiàn).

量子梳照明:

圖解：光激發(fā)時(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(照亮的頂點)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的能量技術(shù)和量子計算的發(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。

量子材料對于量子計算來說具有十分重要的意義，Mackillo Kira 說到，他是密西根大學(xué)電子工程和計算機科學(xué)的教授，他是該項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，具有潛在的實現(xiàn)光能的100%的轉(zhuǎn)換。他們同時還可以提升量子計算的運行溫度從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制與發(fā)現(xiàn)比以往任何時候都要快，Rupert Huber說到，他是德國雷根斯堡大學(xué)的物理學(xué)教授，目前是該實驗工作的領(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)角進行堆積，同時在一定的范圍內(nèi)進行材料的選擇，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入到流水線的層面來設(shè)計具有正確的量子結(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，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)的測量辦法在室溫下和一定的壓力下實現(xiàn)測量。

可測量的運行方式包括對太陽能電池，激光和光學(xué)驅(qū)動的量子計算來說比較關(guān)鍵的工藝。尤其是基態(tài)之間的電子爆裂，此時他們不能實現(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的能力。他們通過吸收和發(fā)射光來實現(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的電子爆裂開來并進入到導(dǎo)電的能級。接下來電子就會同一個二次紅外光的脈沖相撞擊。這推動他們以至于他們在導(dǎo)電的能級中的能量谷中上下擺動，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(zhì)來創(chuàng)造一個駐波的模式，像一個梳子。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)這一電子梳的頂點同材料的能級結(jié)構(gòu)相重疊的時候，即它的量子結(jié)構(gòu)——電子發(fā)射強力的光。功能強大的光的發(fā)射沿著梳線的窄寬進行，有助于創(chuàng)造出一個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，研究團隊可以映射出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電子的軌道角動量。操控一個電子的軌道角動量，就是眾所周知的贗自旋，這是一種存儲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電子所占據(jù)的兩個不同的“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，這些是設(shè)計新型的半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的量子器件的關(guān)鍵元素。

例如，當(dāng)研究團隊使用激光來推動電子升高到一個“谷”的邊緣處的頂部直到他們陷入到另外一個電子中，電子在這一下墜的點發(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