热电子量子行为的首次可视化

这项研究成果是朝着操纵和控制高能或"热"电子的量子行为迈出的有希望的一步--这对未来高效的太阳能电池和原子工程系统(包括所提出的量子计算设备)非常重要。

该团队与伯明翰大学的同事合作，用扫描隧道显微镜将电子注入硅表面，并用甲苯分子装饰。当电子从尖端位置穿过表面传播时，它们诱导甲苯分子反应并从表面"升起"。

通过测量分子运动的精确原子位置，研究团队确定电子在最初的7纳米行程中保持其初始轨迹或量子状态，然后在受到干扰之前随机分散它们，就像针中的球--球机。本质上是从量子系统到经典系统的转变。

巴斯大学的彼得斯隆博士说："因为寿命很短，大约十亿分之一秒，所以很难观察到热电子。这项可视化技术为我们提供了一个新的理解层面。我们惊讶地发现，最初的量子轨迹在足够长的时间内保持不变，使得单个电子在直径为15纳米的圆盘上"散开"。

"量子物理要求电子的行为像波一样。就像一颗鹅卵石落入静止的池塘形成同心环一样，它们将在最初的7纳米内形成，热电子也是如此。我们把它注入表面后，电子开始是一个直径小于纳米的微小物体，然后它悄悄地散开，变得越来越大。当它受到干扰(失去原有的量子特性)时，它会达到这个大小，并形成一系列直径为15纳米的环。它看起来可能很小，但从原子和分子尺度来看，它实际上是一个巨大的尺寸。"

伯明翰大学的理查德帕尔默教授解释说："这些发现非常重要，是在室温下进行的。他们表明，在绝对零度(-273)附近容易获得的电子的量子行为在较温和的室温和超过15纳米的尺度下持续存在。这些结果表明，未来的原子量子器件可以在没有液氦冷却剂的情况下工作。"

现在，该团队开发了一种可视化量子传输的方法，目标是了解如何控制和操纵电子的初始量子状态。正如帕尔默教授所说："能够操纵热电子行为的意义深远；从提高太阳能效率到改善癌症治疗和放射治疗。"