成像技术揭示单原子分辨率的电子电荷

材料通常导电或绝缘，因此实验和理论物理学家被一种叫做六硼化钐(SmB)的化合物所吸引。6)，这似乎可以同时执行这两项操作。50年来的大量研究表明，SmB6既像绝缘体，又像导电金属。

现在，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员表示，可以对电子沿着SmB表面的确切位置进行成像。6具有单原子精度，在了解化合物的性质以及为什么它可以绝缘和导电方面取得了突破。发表在《科学》杂志上的研究结果建立在2019年报告的SEAS研究的基础上，该研究确定SmB6是一种拓扑绝缘体，这意味着它沿着表面导电，但不在其内部导电。

尽管 2019 年发现了关于 SmB 的信息6的表面金属量，关于其整体金属性以及为什么不同的测量不能产生一致的结果仍然存在许多问题。

“任何有电压表的人都应该能够告诉你一种材料是导电的还是绝缘的，”该论文的第一作者、SEAS克劳斯科学教授珍妮·霍夫曼(Jenny Hoffman)实验室的前博士生哈里斯·皮里(Harris Pirie)说。但 SmB 的情况并非如此6.“这引起了我们的兴趣，并推动了SmB6甚至进一步成为物理学界的聚光灯下。

了解电荷如何在SmB内移动的特殊行为6，Pirie和来自牛津大学，诺伊大学芝加哥分校(UIC)和其他机构的合作者需要开发一种新的成像方法来检测SmB上的电子分布6.

在与UIC的Dirk Morr的对话中，该团队专注于采用扫描隧道显微镜的想法，该显微镜使用难以想象的小针尖来测量材料表面的原子结构。他们没有测量原子结构，而是用它来检测SmB中的磁共振。6在低温下，将潜在的金属变成低温绝缘体的磁相互作用的特征。“这种磁相互作用产生了我们可以测量的清晰共振，我们预测，如果我们能够测量它在不同表面点的激发能量，它将揭示该位置的电子电荷，”皮里说。

扫描针头穿过 SmB 表面6为了绘制出所有表面点的电子电荷，该团队创建了一个读数，“看起来像山脉的地形图，”皮里说。除了那些山峰和山谷是原子的大小。

使用这种方法，该团队捕获了第一张电子在SmB原子缺陷周围积累的照片。6的表面 - 甚至是通过横截面 SmB 样品创建的表面6成碎片。“很明显，从我们进行测量的那一刻起，我们就找到了我们正在寻找的电子，”皮里说。“我们看到了电子在缺陷周围形成的这些惊人的波型，表明信噪比很高。那是一个非常酷的时刻。

“这项工作让我们对拓扑材料中单原子缺陷的重要性有了新的认识，”该论文的资深作者霍夫曼说。

Pirie现在正在寻求修改扫描隧道显微镜方法，以构建新的量子器件。“我们已经发现的原子缺陷可能有助于构建量子电路。扫描隧道显微镜的针可以离样品材料如此荒谬，以至于它不再被动地成像它 - 它可以触摸和改变样品，“他说。“我很想知道我们是否可以在SmB上移动原子。6，将所有电子推入特定的受控通道或水坑中。希望通过战略性地构建SmB上的原子缺陷6，电子可以被精确捕获以形成量子比特 - 量子计算所需的基本单位。

这可能有助于解决可行的量子计算机的一个主要障碍：为了稳定运行，量子计算机量子比特的量子态必须完全禁止与周围环境中的电子纠缠。

Pirie说，成像方法可以为科学家提供强大的高分辨率工具，以了解电子在各种材料和化合物上的作用。“这个工具可以看到一个原子周围的电荷在做什么 - 使我们能够以较小的尺度看到世界。有很多基本问题可以帮助我们回答我们周围的世界。

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