一组物理学家以前所未有的清晰度绘制了电子能量在特定量子态下如何随区域变化的图谱。
一组物理学家以前所未有的清晰度绘制了电子能量在特定量子态下如何随区域变化的图谱。这种理解揭示了电子相互影响的基本机制，称为量子“杂交”，这在以前的实验中是不可见的。
纽约大学、劳伦斯伯克利国家实验室、罗格斯大学和麻省理工学院的科学家们的研究成果发表在《自然物理》杂志上。
“这种关系对于理解量子电子系统和所有运动的基础都是至关重要的，但通常是从理论的角度来研究，而不是通过实验来观察，”纽约大学物理系的助理教授Andrew Wray解释道，他也是这篇论文的合著者之一。“值得注意的是，这项工作揭示了同一种材料内部的多种能量环境，允许进行比较，从而让我们发现电子是如何在状态之间转移的。”
科学家们把他们的工作重点放在了硒化铋(Bi2Se3)上，这种物质在过去的十年里一直作为先进信息和量子计算技术的基础而受到密切的研究。2008年和2009年的研究发现，硒化铋具有一种罕见的“拓扑绝缘体”量子态，这种量子态可以改变其表面电子与信息相互作用和存储信息的方式。
此后的研究证实了许多关于拓扑绝缘体表面电子的理论启发思想。然而，由于这些粒子在材料表面，它们暴露在材料中不存在的环境因素中，导致它们以不同的方式从一个地区到另一个地区显现和移动。
由此产生的知识鸿沟，以及其他材料类别面临的类似挑战，促使科学家开发出用微米或纳米级空间分辨率测量电子的技术，使研究人员能够在没有外部干扰的情况下研究电子的相互作用。
《自然物理研究》是第一批使用新一代实验工具的研究之一，被称为“光谱显微镜”，也是第一次对Bi2Se3进行光谱显微镜研究。这一程序可以跟踪材料中不同区域的表面电子的运动是如何不同的。科学家们收集了近1000个小区域的数据，而不是集中在样品表面单个大区域的平均电子活动。
通过这种方法拓宽范围，他们可以观察移动电子之间的量子杂交特征，比如在能量上相互接近的电子状态之间的斥力。这种方法的测量结果阐明了电子准粒子在材料表面的变化。
纽约大学研究生、论文第一作者Erica Kotta解释说:“观察电子态如何在样品表面相互串联变化揭示了不同种类电子之间的条件关系，这确实是一种研究材料的新方法。”“研究结果为拓扑绝缘体的物理性质提供了新的见解，首次直接测量了表面附近电子间的量子杂交。”
参与这项研究的其他纽约大学科学家包括博士生徐一帅和研究时的博士后研究员林淼。
该研究得到了美国能源部(DE-AC02-05CH11231)以及国家科学基金会(DMR-1420073)、国家科学基金会(DMR-1506618)和海军研究办公室(N00014-17-1- 2883)的MRSEC项目的支持。
DOI: 10.1038 / s41567 – 019 – 0759 – 2
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