量子随鼓声起舞：研究人员观察单个电子的能量如何被周围的原子调节

雷根斯堡大学的物理学家们已经设计出了原子振荡速度超过万亿分之一秒的量子电子能级转变。

把球抛向空中，我们可以将任意能量传递给球，使它飞得更高或更低。量子物理学的一个奇特之处是，粒子（例如电子）通常只能采用量化的能量值——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移动。量子世界中的过程通常发生在原子尺度上，而且速度也非常快。

雷根斯堡的一个研究小组利用一种新型超快显微镜，成功地直接观察了在超快时间尺度上，单个电子的能量如何通过周围原子的振动进行调节。值得注意的是，他们还能够具体控制这一过程。这些发现对于超快量子技术的发展至关重要。

物理学家们使用原子级厚度的材料来研究当原子层像鼓膜一样上下移动时，离散能级如何变化。他们在空位处观察到了这一点——单个原子被移除后留下的空隙。

这种原子级厚度的二维晶体以其多功能、可定制的电子特性而闻名，对未来的纳米电子学来说尤其有趣。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级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偏移，从而控制空位的能级。这些结果发表在自然光子学。

为了取得这一突破性发现，研究人员必须克服几个障碍。观察原子局部能级及其动态需要 1 埃的原子分辨率。此外，纳米世界的运动速度极快。

“为了追踪能级如何变化，需要对能级进行频闪快照，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 解释道。

Carmen Roelcke、Lukas Kastner 和 Yaroslav Gerasimenko 组成的团队采用一种精妙的方法应对了所有这些挑战，这种方法充分利用了扫描隧道显微镜的能量和空间分辨率。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 团队的专业知识相结合，为所需的超快原子级光谱学创造了决定性的协同作用。

Yaroslav Gerasimenko 表示：“通过我们的新方法，我们能够以慢动作解读原子鼓膜的结构运动和局部能级的移动。” Maximilian Graml 和 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，以及这会如何影响离散能级。

雷根斯堡团队的工作开创了原子局部能级动力学及其与环境相互作用研究的新纪元。这一发现使得局部控制离散最直接的方式。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，或者具体改变发光半导体和分子的性质。

基于前所未有的极端空间、时间和能量分辨率组合，人们可以更深入地了解诸如电子与晶格振动的局部相互作用等基本过程。此外，这种方法还可以帮助揭开相变背后尚未被理解的关键过程的秘密，例如高温超导。