原子薄材料中原子空位的离散能级在鼓状振动的激发下发生移动。由于鼓模式，局部能级的时间演化与原子偏移有着错综复杂的联系。图片来源：布拉德·巴克斯利
雷根斯堡大学（University of Regensburg）的物理学家编排了量子化电子能级的变化，原子振荡的速度超过万亿分之一秒。
将球抛向空中，可以将任意能量传递给球，使其飞得更高或更低。量子物理学的一个奇怪之处是，粒子，例如电子，通常只能具有量子化的能量值，就好像球在特定高度之间跳跃，就像梯子的台阶一样，而不是连续飞行。
量子比特和量子计算机以及发光量子点（2023 年诺贝尔奖）都利用了这一原理。然而，电子能级可以通过与其他电子或原子的碰撞而改变。量子世界的过程通常发生在原子尺度上，而且速度也快得令人难以置信。
使用一种新型的超快显微镜，来自雷根斯堡的一个团队现在已经成功地在超快时间尺度上以原子分辨率直接观察单个电子的能量是如何通过周围原子的振动来调节的。值得注意的是，他们还能够专门控制这一过程。这些发现对于超快量子技术的发展至关重要。
物理学家使用一种原子薄的材料来研究当这个原子层像鼓膜一样上下移动时，离散能级是如何变化的。他们在一个空位上观察到了这一点 - 当单个原子被移除时留下的空隙。
这种原子薄的二维晶体以其多功能、可定制的电子特性而闻名，对于未来的纳米电子学特别有趣。晶体中的空位是量子比特（量子计算机的基本信息载体）的有希望的候选者，因为它们像原子一样具有离散的电子能级。
研究人员发现，他们可以通过触发原子薄膜的鼓状振动来改变缺陷的离散能级：周围原子的原子运动发生移动，从而控制空位的能级。这些结果发表在Nature Photonics上。
为了取得这一突破性发现，研究人员必须克服几个障碍。需要 1 Ångström 的原子分辨率来观察原子局部能级及其动力学。此外，纳米世界的运动速度非常快。
“为了跟踪能级的变化，有必要拍摄能级的频闪快照，每个快照的记录时间不到万亿分之一秒，比皮秒还快，”第一作者Carmen Roelcke解释说。
Carmen Roelcke、Lukas Kastner 和 Yaroslav Gerasimenko 周围的团队利用扫描隧道显微镜的能量和空间分辨率，以一种精心设计的方法应对了所有这些挑战。同时，使用定制的超短激光脉冲可以慢动作记录极快的动态。Jascha Repp 和 Rupert Huber 团队的综合专业知识为所需的超快原子尺度光谱创造了决定性的协同作用。
“通过我们的新方法，我们能够破译原子鼓膜的结构运动和慢动作中局部能级的变化，”Yaroslav Gerasimenko说。马克西米利安·格拉姆（Maximilian Graml）和扬·威廉（Jan Wilhelm）的第一性原理计算最终解释了原子薄层中的原子在振荡过程中如何移动，以及这如何影响离散能级。
雷根斯堡团队的工作为研究原子局部能级的动力学及其与环境的相互作用开创了一个新时代。这一发现能够以最直接的方式对离散能级进行局部控制。例如，单个原子的运动可以改变材料的能量结构，从而产生新的功能或具体改变发光半导体和分子的特性。
基于前所未有的极端空间、时间和能量分辨率组合，对电子与晶格振动的局部相互作用等基本过程的更深入理解指日可待。此外，这种方法可能有助于解开相变背后的关键过程的秘密，如尚未被理解的高温超导性。
更多信息： Carmen Roelcke等人，单层晶体中单个空位的超快原子尺度扫描隧道光谱。自然光子学。www.nature.com/articles/s41566-024-01390-6
期刊信息：Nature Photonics
