这种效应类似于走进一部电梯，看着楼层显示器从“1”、“2”、“3”直接跳变到“20”。你并没有经过中间的十七层楼，而是某种程度上直接抵达了二十楼。尽管这在日常生活中听起来不可能，但在量子世界中，电子却能做出可比拟的跃迁。
这些不同寻常的事件被称为朗道-齐纳-马约拉纳跃迁（Landau-Zener-Majorana transitions）。物理学家长期以来一直怀疑它们在高速半导体电子学中可能变得日益重要，但准确观察它们的展开过程一直是一项巨大的挑战。
现在，来自雷根斯堡大学（University of Regensburg）、马尔堡大学（Philipps-Universität Marburg）和于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）的研究人员直接在石墨烯（一种由极薄碳原子层制成的材料）中追踪到了这些跃迁。他们的研究成果发表在《Nature》杂志上，详细展示了电子如何响应光产生的强烈电场。
电子如何跨越禁带能量区间
在半导体和类似材料中，电子被限制在称为能带（energy bands）的特定能量范围内。这些能带之间是被称为禁带（forbidden energy gaps）的区域，电子通常无法在其中占据稳定状态。
在正常条件下，电子倾向于停留在它们现有的能带内。然而，当研究人员将石墨烯暴露在强烈的脉冲光下时，他们观察到了截然不同的现象。电场加速了电子，并导致其中一些电子从一个能带切换到另一个能带，通过量子力学跃迁跨越了中间的禁带。
为了捕捉这些运动，科学家们开发了一种实验技术，将先进的激光技术与电子显微镜结合起来。这使他们能够在常规成像方法远不及的极短时间尺度上检查电子行为。
慢动作相机揭示量子跃迁
“如果你想知道谁赢了一场比赛，你必须观看所有参赛者，”该研究的第一作者文森特·埃格尔斯（Vincent Eggers）解释说，“同样地，我们必须一次观察尽可能多的电子，以捕捉那些在运动时经历量子力学跃迁的电子。”
关键仪器是一台光电子动量显微镜（photoemission momentum microscope）。与传统显微镜产生材料表面的放大图片不同，它测量的是电子的能量及其运动方式。然后，研究人员利用这些信息创建详细的图谱，展示电子如何在不同的能量状态分布。
最大的技术障碍之一是将这些测量结果与以极高速度振荡的强光场结合起来。研究团队需要驱动电子运动，同时记录其能量和运动的变化。
鲁珀特·胡伯（Rupert Huber）说：“我们的团队为这项实验努力了多年。现在，我们可以实时追踪固体整个能量景观中移动的电子。”
该项目的合作者、超快电子光谱学先驱乌尔里希·赫弗（Ulrich Höfer）描述了亲眼目睹这一效应的兴奋之情：“能够在我们的第一轮测量活动中观察到如此基本的量子力学过程，对我们来说是一个非常特殊的时刻——这也是我们所使用的样品所成就的。”
超纯石墨烯使重大发现成为可能p>
该实验依赖于于利希研究中心制造的极其纯净的石墨烯样品。这些专门制备的碳层厚度仅为一个原子，为了使测量起作用，必须几乎没有瑕疵。
于利希研究中心的斯特凡·陶茨（Stefan Tautz）强调：“这些精密实验需要原子级别上几乎完美的材料。这确保了杂质不会掩盖电子精致的量子动力学。该研究的另一个重要因素是使用‘旋转’石墨烯（于利希的特色技术），这使得量子动力学能够特别清晰地展现出来。”
这种精心设计的材料使得将微妙的量子效应与石墨烯缺陷引起的干扰区分开来成为可能。
研究人员所看到的是非凡的。当暴露在足够强的光场中时，电子以高达100%的跃迁概率穿过了禁带。
这一结果突出了朗道-齐纳-马约拉纳跃迁最令人惊讶的特征之一。即使这些状态被相当大的能隙隔开，电子也能以极高的概率在能量状态之间移动。
至关重要的因素是电子在电场影响下接近禁带的速度有多快。这使得该过程与传统的量子隧穿（粒子在物理空间中穿过势垒）有根本的不同。
迈向光控电子学的新路径p>
除了揭示基本的量子现象外，这种新成像技术还可以帮助科学家了解是什么阻止了电子以受控且可预测的方式移动。
石墨烯实验已经提供了一个重要的线索。尽管电子最初是有秩序地运动的，但它们与材料晶格的相互作用逐渐破坏了这种运动。了解这些效应可以帮助研究人员开发更精准的方法来控制电子行为。
对于未来的电子技术而言，这些知识尤为宝贵。未来的技术可能会利用极快速的光振荡来引导电子，而不仅仅依赖于电压。这种方法可以为在极高速度下操纵电子属性开辟新的可能性。
研究人员还期望他们的方法能够适用于许多其他量子材料，使科学家能够研究以前无法访问的电子动力学，并有可能发现控制它们的新方法。
正如来自雷根斯堡大学的贾科莫·因扎尼（Giacomo Inzani）所解释的那样，这一成就标志着更广泛探索的开始。
“我们的实验为量子世界打开了一扇全景之窗。现在，我们可以实时追踪电子如何穿过材料的能量景观。而这仅仅是个开始。我们的方法可以应用于许多其他量子材料，为用光选择性控制其电子属性开辟了全新可能。”