近日消息，西班牙光子科學研究所（ICFO）的研究人員和多個科研機構及高校的學者合作，研究了如何使用光來觀察電子材料的量子性質。研究人員使用了一種特殊的天線對石墨烯表面進行掃描，距離間隔為幾納米。通過這種近場納米鏡，他們看到石墨烯上的光波紋比光速慢了300多倍，與經典物理學的結論有極大的偏離，表現出了其量子特征。

    電子和光沿著石墨烯片表面一起移動

    近日消息，西班牙光子科學研究所（ICFO）的研究人員和多個科研機構及高校的學者合作，研究了如何使用光來觀察電子材料的量子性質。研究人員使用了一種特殊的天線對石墨烯表面進行掃描，距離間隔為幾納米。通過這種近場納米鏡，他們看到石墨烯上的光波紋比光速慢了300多倍，與經典物理學的結論有極大的偏離，表現出了其量子特征。

    這項實驗使用了超高質量的石墨烯為原材，為了在石墨烯（等離激元）中激發超慢的光波并使其圖像化，研究人員使用了一種特殊的天線對石墨烯表面進行掃描，距離間隔為幾納米。通過這種近場納米鏡，他們看到石墨烯上的光波紋比光速慢了300多倍，與經典物理學的結論有極大的偏離。

    該項研究在ICFO的FrankKoppens教授領導下，由Mark Lundeberg和Achim Woessner博士與Nanogune的Hillenbrand教授、IIT的Polini教授和哥倫比亞大學的Hone教授共同完成。研究成果以“Tuning quantum nonlocal effects in graphene plasmonics”為題發表在了近期的《Science》雜志上。

    關于完成的實驗，Koppens教授說：“通常來說，探索量子世界是非常困難的，要求超低溫的環境，但是這項研究，我們可以在室溫下用光照觀察。”

    這種技術為探索許多新型的量子材料鋪平了道路，這些量子材料包括允許用拓撲量子位進行量子信息處理的超導體或拓撲材料。此外，Hillenbrand教授指出，“這可能只是近場納米視覺新時代的開始。”

    Polini教授說：“這個發現可能最終導致以真正的微觀方式理解復雜的量子現象，當物質受到超低溫和非常高的磁場的影響時，如分數量子霍爾效應。

    Tuning quantum nonlocal effects in graphene plasmonics

    Abstract

    The response of electron systems to electrodynamic fields that change rapidly in space is endowed by unique features, including an exquisite spatial nonlocality. This can reveal much about the materials' electronic structure that is invisible in standard probes that use gradually varying fields. Here, we use graphene plasmons, propagating at extremely slow velocities close to the electron Fermi velocity, to probe the nonlocal response of the graphene electron liquid. The near-field imaging experiments reveal a parameter-free match with the full quantum description of the massless Dirac electron gas, which involves three types of nonlocal quantum effects: single-particle velocity matching, interaction-enhanced Fermi velocity, and interaction-reduced compressibility. Our experimental approach can determine the full spatiotemporal response of an electron system.

    電子系統對空間變化迅速的電動力場的響應具有獨特的特征，包括精湛的空間非局部性。 這可以揭示材料的電子結構，這些結構在使用逐漸變化的領域的標準探針中是不可見的。 在這里，我們使用石墨烯等離子體激元，以接近電子費米速度的非常慢的速度傳播，以探測石墨烯電子液體的非本地響應。 近場成像實驗揭示了與無質量狄拉克電子氣體的全量子描述的無參數匹配，其涉及三種類型的非局部量子效應：單粒子速度匹配，相互作用增強的費米速度和相互作用降低的壓縮性。 我們的實驗方法可以確定電子系統的全時空反應。

    電子系統對空間變化迅速的電動力場的響應具有獨特的特征，包括精湛的空間非局部性。 這可以揭示材料的電子結構，這些結構在使用逐漸變化的領域的標準探針中是不可見的。 在這里，我們使用石墨烯等離子體激元，以接近電子費米速度的非常慢的速度傳播，以探測石墨烯電子液體的非本地響應。 近場成像實驗揭示了與無質量狄拉克電子氣體的全量子描述的無參數匹配，其涉及三種類型的非局部量子效應：單粒子速度匹配，相互作用增強的費米速度和相互作用降低的壓縮性。 我們的實驗方法可以確定電子系統的全時空反應。

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責任編輯：殷鵬飛

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