納米技術借原子振動，揭秘量子材料界面行爲

科學家們正在競相研發用於計算和用於超精密測量的傳感的量子技術新材料。要使這些未來技術從實驗室走向實際應用，就需要對材料表面附近（尤其是材料界面處）的行爲特性有更深入的瞭解。

美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室的科學家們公佈了一種可能有助於推動量子技術發展的新技術。他們的創新技術——表面敏感的自旋電子太赫茲光譜學（SSTS），以前所未有的視角觀察量子材料在界面的行爲。

這項研究成果發表在《科學進展》雜誌上。

“這項技術使我們能夠研究表面聲子——材料表面或材料界面處原子的集體振動，”阿貢國家實驗室的博士後研究員、該研究的第一作者楚兆東（音譯）說。“我們的發現揭示了表面聲子和本體材料中的聲子之間存在驚人的差異，這爲研究和應用開拓了新的道路。”

在諸如晶體之類的材料中，原子會形成名爲晶格的重複結構，晶格能夠以被稱爲聲子的波的形式振動。雖然人們對塊狀材料中的聲子有較多瞭解，但對錶面聲子（即在界面數納米範圍內出現的聲子）卻知之甚少。該團隊的研究表明，表面聲子的行爲有所不同，進而產生獨特的量子行爲，如界面超導性。

超導性，即電子無電阻流動的現象，在磁共振成像（MRI）儀和粒子加速器等技術中有應用。界面超導性——一種只出現在兩種材料邊界處的類型——有望應用於新的量子技術。

“這一發現源於數年前的一個發現，即兩種晶體材料之間的界面能夠展現出超導行爲，而這兩種材料單獨存在時都不會展現出這種行爲，”阿貢國家實驗室的物理學家阿南德·巴塔查里亞（Anand Bhattacharya）說道。

阿貢國家實驗室的物理學家溫海丹補充說：“只有當這兩種材料在一起時，超導這種神奇現象纔會在界面處發生，這與材料本體是不同的。”

該團隊認爲晶體中一種被稱爲TO1聲子的特定振動類型觸發了這種界面超導性，於是着手尋找其作用的直接證據。

溫海丹解釋說，主要存在兩個挑戰。首先，界面被掩埋在樣品內部，且只有幾納米厚，這讓用常規方法研究變得困難。其次，該團隊需要處理太赫茲輻射。它的頻率範圍比5G手機網絡的高一千率。許多重要的量子效應都發生在這個太赫茲頻段，但要高分辨率地捕捉它們是很困難的。

研究人員將他們的SSTS（表面敏感太赫茲光譜）方法用於通過在氧化物晶體上沉積一層薄磁膜製成的樣本上。在這種方法中，極快的激光脈衝穿過氧化物晶體並撞擊薄磁層。然後，激光與物質之間的相互作用會在氧化物的接觸面上產生太赫茲振動。

通過使用這項技術，該團隊檢測到了TO1聲子。他們還表明，界面5納米範圍內聲子的行爲與主體部分不同。表面聲子就像湖泊淺水區的波浪——它們的行爲與深水區的波浪不同。

“我們這種對界面敏感的技術可應用於多種材料，以探測難以捉摸的量子行爲，包括磁性和超導性，”阿貢傑出研究員、阿貢量子研究所所長邁克爾·諾曼（Michael Norman）說。“我們現在有了一個研究量子材料的新窗口，它可以爲未來技術中的新型量子設備指明方向。”

巴塔查里亞補充說：“太赫茲光與物質相互作用，不僅能像我們的研究那樣以新的方式探測量子材料，還能誘導出全新的物質狀態。這是未來研究一個極其令人興奮的方向。”

除了上述提到的人員，阿貢國家實驗室（Argonne）的作者還包括俊毅·楊、彥·李、建國·溫、阿什利·別林斯基、琦·張、亞歷克斯·馬丁森、斯蒂芬·赫魯茲克維茨和狄龍·方。華盛頓大學的曉東·徐和凱爾·黃博也有貢獻。