激光成功操控原子运动，开启电子技术新纪元

自然科学学院副教授Tyler Cocker与工程及自然科学学院助理教授Jose L. Mendoza-Cortes，结合了量子力学的实验与理论领域——该学科研究原子在微观尺度下的奇异行为——旨在突破材料性能的边界，以改进我们日常使用的电子技术。

"这段经历提醒了我们科学的本质，因为我们发现了以意料之外方式运作的材料，"Cocker表示。"现在，我们希望探索对未来人类具有技术应用潜力的方向。"

Cocker团队使用一种名为二碲化钨（WTe2）的材料展开系列实验。该材料由两层碲（Te）原子夹着一层钨（W）原子构成。研究人员将其置于自行搭建的特制显微镜下。普通显微镜用于观察人眼难以辨识的物体（如单个细胞），而Cocker的扫描隧道显微镜能显示材料表面的单个原子。其原理是通过在材料表面移动超锐利金属针尖，借助电信号"感知"原子，类似于阅读盲文。在观测WTe2表面原子时，团队使用超快激光产生每秒振荡数万亿次的太赫兹光脉冲。这些太赫兹脉冲被聚焦于显微镜针尖。

在针尖处，脉冲强度被极大增强，使研究人员能直接操控针尖正下方的顶层原子，使其与下层原子结构产生轻微错位。这类似于一叠纸张中顶层纸张发生微小偏移。

当激光脉冲照射针尖与WTe2材料时，材料顶层表现出异常行为，呈现出关闭激光时未观察到的全新电学特性。Cocker团队意识到，太赫兹脉冲与针尖可协同充当纳米级开关，暂时改变WTe2的电学特性，从而提升下一代器件性能。在此过程中，Cocker的显微镜甚至能观测到原子运动，并拍摄下他们创造出的独特开关"开启"与"关闭"状态图像。

当Cocker与Mendoza-Cortes意识到双方正从不同角度研究相似课题时，Cocker的实验团队与Mendoza的量子力学理论团队展开了合作。Mendoza-Cortes的研究聚焦于计算机模拟。通过对比Mendoza的量子计算结果与Cocker的实验数据，两个实验室使用不同工具独立获得了相同结论。

"我们的研究具有互补性；这是通过不同视角对同一现象的观察，"Mendoza-Cortes解释道。"当我们的模型与其实验结果得出相同答案与结论时，我们对现象本质有了更全面的认知。"

Mendoza实验室通过计算发现，WTe2原子层在摆动过程中产生7皮米（万亿分之一米）位移，这一微观尺度难以通过专用显微镜单独观测。此外，他们证实原子摆动频率在实验与理论中完全吻合，而量子计算能进一步揭示原子摆动方向与幅度。

"这种运动仅发生在最顶层，因此具有高度局域化特性，"Mendoza实验室四年级研究生Daniel Maldonado-Lopez指出。"该特性有望应用于构建更快速、更微型化的电子器件。"

Cocker与Mendoza-Cortes希望此项研究能为未来手机和计算机技术带来新型材料应用、更低成本、更快速度及更高能效。

"当你思考智能手机或笔记本电脑时，其内部所有组件均由特定材料构成，"Cocker实验室四年级研究生Stefanie Adams表示。"在某个时间节点，总有人需要决策：'这就是我们将要使用的材料'。"

本研究成果发表于《自然·光子学》期刊，并部分获得密歇根州立大学网络赋能研究所提供的计算资源与服务支持。

研究价值核心：

• 新型量子材料中的原子摆动可催生更高效、更微型、更快速的电子器件
• 这些新材料具有惊人特性，可能成为下一代量子计算机的关键元件