普林斯顿大学:观察量子叠加态石墨烯晶体中的电子

普林斯顿大学的科学家利用创新技术观察石墨烯晶体中的电子。石墨烯具有单原子层的碳原子。他们发现，高磁场中电子之间的强烈相互作用促使它们形成了一种不寻常的晶体结构。这些晶体表现出对应于量子叠加态电子的空间周期性。这一发现揭示了电子由于相互作用可以形成的复杂量子相，这是许多材料中广泛现象的基础。

当代技术通过施加强磁场和最近将多层石墨烯堆叠在一起来控制电子如何相互作用。石墨烯的发现导致了2010年诺贝尔物理学奖的产生，为探索电子物理，尤其是研究电子的集体行为开辟了新的领域。

现在，普林斯顿的研究人员发现，石墨烯中电子之间的强烈相互作用驱动它们形成由量子效应决定的复杂图案的晶体结构叠加，电子同时存在于多个原子位点。发表在最近的《科学》杂志上的这个实验也表明，这种新的量子晶体随着电子波函数发生了奇怪的形变。

此前的研究表明，石墨烯表现出新颖的电学性质，但从未有研究能够以如此高的空间分辨率如此深入地观察量子态的本质。

为了达到这种无与伦比的分辨率水平，研究人员使用基于“量子隧道”效应的扫描隧道显微镜，在极高的真空下操作，以保持样品表面的清洁，在极低的温度下进行高分辨率测量，不受热流的干扰。

当电子达到受其量子特性支配的最低能量状态时，显微镜也可以观察到电子。在磁场存在的情况下，显微镜可以用来确定量子化能级的空间结构。能量的量子化是一个离散的能量值，没有任何中间值，这是量子物理理论的一个特点。与经典物理相反，经典物理允许连续的能量值。

研究人员重点研究了石墨烯中最低的量子化能级，用显微镜画出了最低量子化能级在磁场存在下的波函数图。当石墨烯被附近的开关转变为中性状态时，研究人员发现了复杂的电子波模式。

在金属中，电子的波函数分布在整个晶体中，而在普通绝缘体中，电子是冻结的，对原子的晶体结构没有特别的偏好。在很低的场下，扫描隧道显微镜图像显示石墨烯的电子波函数选择了一个亚晶格位置而不是另一个。更重要的是，通过增加磁场，观察到了显著的键模式，这对应于量子叠加中电子波函数的存在，意味着一个电子同时占据了两个不相等的位置。

研究团队与加州大学伯克利分校合作，开发了一种从扫描隧道显微镜数据中提取电子量子波函数数学特征的方法，即描述其量子叠加的所谓相位角。该分析揭示了这些相角之一在缺陷周围的显著缠绕以及另一个相角的相关变化。