普林斯顿大学：在量子叠加态中观察石墨烯晶体中的电子

普林斯顿大学的科学家们使用创新技术来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相互作用促使它们形成不寻常的晶体状结构。这些晶体表现出与处于量子叠加态的电子相对应的空间周期性。这一发现揭示了电子由于相互作用而可以形成的复杂量子相，这是许多材料中广泛现象的基础。

当代科技通过施加强磁场，以及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年的诺贝尔物理学奖，为探索电子物理学，特别是研究电子的集体行为方式开辟了一个新领域。

现在，普林斯顿研究人员发现，石墨烯中电子之间的强相互作用，驱使它们形成具有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《科学》杂志上的这项实验还表明，这种新型量子晶体具有与电子波函数的奇异变形。

以前的研究表明，石墨烯表现出新颖的电学特性，但从未有研究能够如此深入地以如此空间分辨率来观察量子态的本质。

为了达到这种无与伦比的分辨率水平，研究人员使用基于“量子隧穿”效应的扫描隧道显微镜，在非常高的真空下运行，以保持样品表面清洁，并在非常低的温度下进行高分辨率测量，不受热流动的干扰。

显微镜还能够在电子达到由其量子特性支配的最低能量状态时观察它们。在存在磁场的情况下，显微镜可用于确定量化能级的空间结构。能量的量子化是所存在的离散的能量值，没有任何中间值，这是量子物理理论的一个特征，与经典物理学相反，经典物理学允许连续的能量值。

研究人员将注意力集中在石墨烯中能量最低的量子化能级上，使用显微镜绘制了存在磁场时最低量子化能级的波函数图。当石墨烯通过附近的电门调到中性状态时，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，电子被冻结，对原子位置的晶体结构没有任何特别的偏好。在非常低的场中，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点而不是另一个。更重要的是，通过增加磁场，观察到显着的键状图案，这对应于电子的波函数存在于量子叠加中，意味着一个电子同时占据两个不等价的位置。

该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的数学特性的方法，即描述其量子叠加的所谓相位角。分析揭示了这些相位角之一在缺陷周围的显着缠绕，以及另一个角度的相关变化。