量子的突破将一项技术从天文学带到纳米尺度

哥伦比亚大学(Columbia University)和加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的研究人员为量子物理学引入了一种“多信使”方法，这意味着科学家在探索量子材料方面出现了技术飞跃。

这一发现发表在最近发表在《自然材料》杂志上的一篇文章中。J. Millis在哥伦比亚大学，R.A. Averitt在加州大学圣地亚哥分校。

“我们已经把一种技术从星系间的尺度引入到超小型的领域，”哥伦比亚大学希金斯物理学教授、能源前沿研究中心主任巴索夫说。“配备了多模态纳米科学工具，我们现在可以经常去的地方，没有人认为可能就在5年前。”

这项工作的灵感来自于多信使天体物理学，它在过去十年中作为一种革命性的技术出现，用于研究遥远的现象，如黑洞合并。同时利用红外、光学、x射线和引力波望远镜等仪器进行测量，综合起来可以得到比单个部分之和更大的物理图像。

人们正在寻找新的材料来补充目前对电子半导体的依赖。利用光来控制材料性能可以为下一代计算平台提供更好的功能、速度、灵活性和能源效率。

量子材料的实验论文通常只报道一种光谱学的结果。这项研究显示了结合使用测量技术来同时检测电学和光学特性的威力。

研究人员通过将激光聚焦在一个涂有磁性材料的针状探针的尖端来完成他们的实验，这个针状探针变成了一个天线，将一个高强度的光脉冲传送到样本下方的区域。光脉冲触发物质进入一个新阶段，创造一个具有新特性的纳米尺度区域。

通过扫描薄膜样品表面的探针，研究人员能够局部触发这种变化，同时以纳米级的精度操纵和记录这些区域的电、磁和光学特性。

这项研究揭示了在长期研究的超小尺度量子材料中如何出现意料之外的特性。

“用扫描探针研究这些材料是比较普遍的。但这是光学纳米探针首次与磁性纳米成像相结合，而且都是在非常低的温度下，量子材料显示出它们的优点，”McLeod说。“现在，通过多模态纳米科学来研究量子材料提供了一种方法来关闭程序的循环来设计它们。”

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这项名为“应变锰矿中隐藏磁性的多信使纳米探针”的研究得到了可编程量子材料(Programmable Quantum Materials)的支持，这是一个由美国能源部(DOE)、科学与基础能源科学办公室(Office of Science and Basic Energy Sciences)资助的能源前沿研究中心。