新的激光技术以万亿分之一秒的速度成像量子世界

研究人员第一次能够逐帧记录电子如何与固体中的某些原子振动相互作用。该技术捕获了通常导致材料产生电阻的过程，而在其他过程中，则可能导致恰好相反的过程—没有电阻或超导性。

不列颠哥伦比亚大学(UBC)博士MengXing Na说：“电子彼此相互作用的方式以及它们的微观环境决定了所有固体的性质。该研究的学生和共同主要作者，上周发表在《科学》杂志上。“一旦我们确定了定义材料特性的主要微观相互作用，我们就可以找到提高或降低相互作用以引发有用电子特性的方法。”

控制这些相互作用对于量子材料的技术开发非常重要，这些材料包括用于MRI机器，高速磁悬浮列车的超导体，并且有一天可能会改变能量的传输方式。

在很小的范围内，所有固体中的原子都会不断振动。电子与原子之间的碰撞可视为电子与振动之间的“散射”事件，称为声子。散射会导致电子改变方向和能量。这种电子-声子相互作用位于物质的许多奇异相的中心，在这些相中材料显示出独特的特性。

在Gordon和Betty Moore基金会的支持下，UBC的Stewart Blusson量子物质研究所(SBQMI)的团队开发了一种新的极紫外激光源，以实现一种称为时间分辨光发射光谱的技术，可在超快时标下可视化电子散射过程。

Na说：“使用超短激光脉冲，我们使单个电子远离了它们通常的平衡环境。” “使用第二个激光脉冲作为有效的相机快门，我们捕获了电子如何以超过十亿分之一秒的时间尺度在周围原子上散射。由于我们的设置非常高的灵敏度，我们能够直接测量-第一次-激发的电子如何与特定的原子振动或声子相互作用。”

研究人员在石墨，碳的结晶形式以及碳纳米管，巴基球和石墨烯的母体化合物上进行了实验。碳基电子学是一个正在发展的行业，有助于电阻的散射过程可能会限制其在纳米电子学中的应用。

该方法利用了David Jones和Andrea Damascelli设想的独特激光设备，该设备由联合主笔Arthur Mills在UBC-Moore超快量子物质中心开发。这项研究还得到了斯坦福大学的Thomas Devereaux和北卡罗来纳州立大学的Alexander Kemper的理论合作的支持。

UBC SBQMI和物理与天文学系的教授琼斯说：“由于脉冲激光源的最新进展，我们才刚刚开始可视化量子材料的动态特性。”

SBQMI科学总监Damascelli说：“通过运用这些开创性技术，我们已经准备好揭示高温超导的难以捉摸的谜团以及量子物质的许多其他令人着迷的现象。”

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