石墨烯中超快量子过程实现实时追踪

在强光场驱动下，石墨烯中的电子能够以极高概率穿越能隙，在不同能带之间发生跃迁。德国雷根斯堡大学、马尔堡大学和于利希研究中心的科学家将激光技术与电子显微技术相结合，首次实时追踪了这一超快量子过程，发现电子穿越能隙的隧穿概率最高可达100%。相关研究发表于最新一期《自然》杂志。

石墨烯能带结构的全景图。在光脉冲产生的极强电场作用下，电子在能带结构（黄色条纹）中加速运动。如果低能带（价带）中的电子以足够快的速度接近高能带（导带），它们可以通过朗道—齐纳—马约拉纳跃迁隧穿能隙进入激发态。

图片来源：德国于利希研究中心官方网站

在固体材料中，电子只能占据特定的能量范围，这些范围被称为能带。一般情况下，电子被限制在各自的能带中。但在强电场作用下，电子可以发生朗道—齐纳—马约拉纳跃迁，穿越能隙进入另一能带。然而，传统显微镜难以呈现其能量状态的瞬时变化。为此，研究团队开发了一种结合激光技术与光电子动量显微镜的测量方法。

“如果想知道一场比赛谁赢了，就必须观察所有参赛者。”论文第一作者文森特·埃格斯打了个比方。要捕捉发生量子跃迁的电子，科学家同样需要尽可能多地同时观察电子的运动。为此，科学家使用的光电子动量显微镜并不直接放大物体图像，而是记录电子的能量和运动状态，绘制电子在不同能量状态下的分布图。

借助这一技术，科学家得以观察光脉冲产生的电场如何加速电子，并推动它们在不同能带之间切换。这项研究使用了于利希研究中心制备的高纯度原子级石墨烯材料，其中包括经过旋转处理的石墨烯结构。这些材料能够减少杂质干扰，使电子的量子运动过程更加清晰。

测量结果显示，在强光场作用下，电子穿越能隙的隧穿概率最高可达100%。即使相关能态之间存在明显的能量间隔，跃迁仍然可能以很高的概率发生。研究还发现，电子接近能隙的速度是影响跃迁的重要因素。这种由电子动态运动引发的跃迁，与通常所说的电子穿过空间能量势垒的量子隧穿有所不同。

该实验为观察量子世界打开了一扇全景窗口。这种测量方法未来有望用于多种量子材料，为利用光有选择性地调控材料的电子性质开辟全新的可能性。

（来源：科技日报 记者：张佳欣）