新的纳米技术解开了量子材料的秘密

利用一种新的表面敏感光谱学方法，科学家们探索了晶体材料表面靠近界面的原子振动。这些发现阐明了量子行为在计算和传感技术中发挥重要作用。

　　

科学家们正在竞相开发用于计算和超精密测量的量子技术的新材料。为了使这些未来的技术从实验室过渡到现实世界的应用，需要对表面附近的行为有更深入的了解，特别是在材料之间的界面处。

美国能源部阿贡国家实验室的科学家们公布了一项有助于推进量子技术发展的新技术。他们的创新，表面敏感自旋电子太赫兹光谱（SSTS），为量子材料在界面上的行为提供了前所未有的视角。

“这项技术使我们能够研究表面声子——材料表面或材料之间界面上原子的集体振动，”阿贡博士后研究员、该研究的第一作者褚兆东说。“我们的发现揭示了表面声子和块状材料中的声子之间的显著差异，为研究和应用开辟了新的途径。”

在诸如晶体之类的材料中，原子形成被称为晶格的重复模式，这种模式可以以声子的形式振动。虽然人们对大块材料中的声子了解很多，但对表面声子知之甚少-那些发生在界面纳米范围内的声子。该团队的研究表明，表面声子的行为不同，从而实现了独特的量子行为，如界面超导性。

超导性，即电子无阻力流动的现象，在核磁共振成像仪和粒子加速器等技术中有应用。界面超导——一种只出现在两种材料之间的边界上的类型——为新的量子技术带来了希望。

阿贡国家实验室物理学家阿南德·巴塔查里亚（Anand Bhattacharya）说：“这项发现的想法始于几年前的一项发现，即两种晶体材料之间的界面可以表现出超导行为，而这两种材料都不会单独表现出来。”

“只有当两种材料在一起时，超导魔法才会发生在界面上，这与本体不同。阿贡国家实验室物理学家温海丹补充道。

研究小组认为，晶体中有一种特殊类型的振动——称为TO1声子——触发了这种界面超导性，因此他们开始寻找其作用的直接证据。

温解释说，主要有两个挑战。首先，界面埋在样品中，只有几纳米厚，很难用常规方法研究。其次，研究小组需要使用太赫兹辐射。这种情况发生在比5G电话网络高1000倍的频率范围内。许多重要的量子效应发生在这个太赫兹范围内，但以高分辨率捕捉它们是困难的。

研究人员将他们的SSTS方法用于在氧化物晶体上沉积一层薄薄的磁性薄膜制成的样品。在这种方法中，超快激光脉冲穿过氧化物晶体并击中薄磁层。然后，激光与物质之间的相互作用在氧化物界面产生太赫兹振动。

通过使用这种技术，研究小组探测到了TO1声子。他们还表明，声子在界面5纳米内的行为与本体不同。表面声子就像湖泊浅水端的波浪——它们的行为与深水中的不同。

“我们的界面敏感技术可以应用于广泛的材料，用于探测难以捉摸的量子行为，包括磁性和超导性，”阿贡杰出研究员兼阿贡量子研究所所长迈克尔诺曼说。“我们现在有了一个研究量子材料的新窗口，可以为未来技术的新型量子设备指明道路。”

巴塔查里亚补充说：“太赫兹光与物质相互作用不仅可以以新的方式探测量子材料，就像我们的研究一样，还可以诱导物质的全新状态。这对未来的研究来说是一个令人难以置信的令人兴奋的途径。”

这项研究发表在《科学进展》杂志上。除了上述引用的作者外，阿贡国家实验室的作者还包括杨俊毅、李焱、温建国、阿什利·比林斯基、张琦、亚历克斯·马丁森、斯蒂芬·赫鲁斯科维茨和方迪龙。华盛顿大学的徐晓东和凯尔·黄波也做出了贡献。