探索量子材料的功能，以了解自旋谷电子效应，拓扑效应和多体效应，就必须深刻认识到量子材料独特的电子能带结构。有鉴于此，美国密歇根大学M. Kira等人发现，单层WSe2材料中产生的边带谐波，使得动量空间中形成了独特的电子干扰梳。通过扩展计量学和超分辨率成像的频率梳策略，研究人员从光谱学的角度定位这些动量梳，实现了对关键能带结构原位超分辨层析成像。这项研究发展了一种实用的、全光学、全三维的电子结构断层扫描技术， 证明了在环境条件下直接绘制量子材料的电子结构特性是可以实现的。

发表在期刊《Science》上的论文首页截图

探寻量子的功能需要可以进入到电子结构的层面,构成了精致旋转谷-电子 .如果强力的光波传输给具有预选波段的局部的电子时,拓扑空间和多体效应的基础.全光带结构可以直接同重建令人垂涎的量子现象中的电子结构相连接.在这里,我们为大家展示了在单层二硒化钨(化学符号WSe2)所创造的在动量空间中的具有明显特征的电子干扰梳中产生谐波边带( harmonic sideband (HSB)).在光谱中定位这些动量梳可以促使得到原位的关键键带结构的超分辨率断层成像.我们通过一个全倍频程实验了调制光学驱动的频率,结果表明预测得到了以临界强度和HSBs中的频率依赖性的超高分辨率舱单.我们提出的概念为大家提供了一个实用的,全光学的,全三维体层摄影术的电子结构,甚至是在微观的量子材料的层面,键键层面都可以实现.

量子梳照明:

图解：光激发时(红色和黄色的光束),电子被发现形成梳状波模式.窄宽度的梳线使得探测(照亮的顶点)量子材料的性能的高分辨率的图像成为可能,这一结果比以前的结果要清晰锐利的多.

依据密西根大学(University of Michigan),雷根斯堡大学(University of Regensburg )和马堡大学(University of Marburg)的研究人员的联合研究结果,他们采用一个新的工具使用光来绘制晶体的电子结构的地图以揭示新兴量子材料的能力和为先进的能量技术和量子计算的发展铺平道路.

这一最新研究成果发表在世界上著名的期刊《Science》上.

其典型应用包括LED照明，太阳能电池和人工光合作用。

量子材料对于量子计算来说具有十分重要的意义，Mackillo Kira 说到，他是密西根大学电子工程和计算机科学的教授，他是该项研究的理论方面的领导者，如果你正确的优化量子的性能，你就可以获得几乎光的吸收率的100% 的效率。

硅基太阳能电池已经成为电能中最为廉价便宜的形式，尽管他们的光-能转换效率比较低，大约为30%.新出现的2-D半导体材料，由单层晶体所组成，可以表现出更好的性能，具有潜在的实现光能的100%的转换。他们同时还可以提升量子计算的运行温度从接近绝对零度到室温的条件下工作。

如今新的量子材料的研制与发现比以往任何时候都要快，Rupert Huber说到，他是德国雷根斯堡大学的物理学教授，目前是该实验工作的领导者。仅仅通过简单的层层堆积这些材料以不同的扭转角进行堆积，同时在一定的范围内进行材料的选择，科学家们就可以创造出任何人工合成的固体，该固体材料的性质是前所未有的的。

将这些性质覆盖到原子层面的能力可以帮助将工艺进入到流水线的层面来设计具有正确的量子结构的层次。但这些超薄的材料同以前的晶体相比较，具有非常小和难以处理的特点，并且旧的分析方法也不适用于这些材料。如今，2-D材料可以采用新的以激光为基础的测量办法在室温下和一定的压力下实现测量。

可测量的运行方式包括对太阳能电池，激光和光学驱动的量子计算来说比较关键的工艺。尤其是基态之间的电子爆裂，此时他们不能实现旅行，并且在半导体的导电间的状态，具有自由在空间移动的能力。他们通过吸收和发射光来实现这些状态。

量子映射法是采用100飞秒（1秒的100千万亿分之一）的脉冲红光来将基台的电子爆裂开来并进入到导电的能级。接下来电子就会同一个二次红外光的脉冲相撞击。这推动他们以至于他们在导电的能级中的能量谷中上下摆动，有点像半管中的滑板运动员。

研究团队使用双波/粒子的电子的本质来创造一个驻波的模式，像一个梳子。他们发现当这一电子梳的顶点同材料的能级结构相重叠的时候，即它的量子结构——电子发射强力的光。功能强大的光的发射沿着梳线的窄宽进行，有助于创造出一个图像且该图像非常尖锐以至于研究人员称之为高分辨率。

通过结合精确的位置信息以及光的频率等信息，研究团队可以映射出2-D二硒化钨半导体的能带结构。不仅如此，他们还可以通过空间内光波的扭曲的前方得到并读取每一个电子的轨道角动量。操控一个电子的轨道角动量，就是众所周知的赝自旋，这是一种存储和处理量子信息的非常有前途的途径。

在二硒化钨中，轨道角动量可以识别出一个电子所占据的两个不同的“谷”。这一信息就是电子输送出可以让研究人员不仅掌握电子“谷”，也可以掌握这一“谷”所看起来像何种风景，并且这一“谷”有多远，这些是设计新型的半导体为基础的量子器件的关键元素。

例如，当研究团队使用激光来推动电子升高到一个“谷”的边缘处的顶部直到他们陷入到另外一个电子中，电子在这一下坠的点发射光。这一光给予了“谷”深度的背景信息和他们之间的脊的高度的信息。给予这些信息，研究人员可以找出这些材料如何据此成功的制造出具有广泛用途的器件来。

这一研究成果以论文题目“Super-resolution lightwave tomography of electronic bands in quantum materials”发表在期刊《Science》上。

文章来源:"Super-resolution lightwave tomography of electronic bands in quantum materials" Science (2020).

Vol. 370, Issue 6521, pp. 1204-1207,DOI: 10.1126/science.abe2112,https://www.sciencemag.org/about/science-licenses-journal-article-reuse