反直覺：實驗室觀測到電子在原子層間的量子運動

一般來講目標從一點移動到另一點，那麼必定經過路徑上的所有點。堪薩斯大學物理和天文學院的副教授Hui Zhao舉例道：「比如某人從堪薩斯城沿70號州際公路開車前往托皮卡，那麼可以說在某個時候他必定在勞倫斯，或者比如打籃球，當堪薩斯大學的Josh Jackson接到Frank Mason的空中傳球然後扣籃時，那麼球必定會在某個時刻進入籃圈。」但在量子世界中的電子卻非如此。「電子可以出現在第一層，然後是第三層，無需經過第二層。」

Hui Zhao、堪薩斯大學研究生Frank Ceballos以及畢業生Samuel Lane最近在堪薩斯超快激光實驗室觀測到了這一違反直覺的電子運動。堪薩斯研究者說：「在一個具有三原子層的樣本中，電子從最頂一層直接移動到了最底一層，沒有被觀測到出現在第二層中。」由於這種量子傳輸方式十分有效，Zhao認為可以據此人工製造名為「范德瓦爾斯材料」的新型材料，並將其用於太陽能電池和電子設備。該研究已被發布在納米科學和納米科技研究領域的頂級雜誌納米快訊上。

激光束激發電子的示意圖。

堪薩斯研究團隊通過「透明膠帶」方法製造了實驗樣本，利用膠帶將晶體的單分子層剝離，通過光學顯微鏡進行驗證。該樣本包含MoS2、WS2及MoSe2層，每一層都比一納米還薄，三層均為半導體材料並響應不同顏色的光。基於此，研究者使用100飛秒持續時間的激光脈衝激發一些頂層MoSe2的電子，令其能夠自由移動。

Zhao說：「合理選擇激光脈衝的顏色，使得只有頂層的電子才會被釋放。然後使用其他對應於底層MoS2的顏色的激光脈衝檢測那些電子是否出現在這一層。通過令第二束激光相對於第一束激光多走0.3mm，使其在第一束激光之後1皮秒到達樣本。」

研究團隊發現電子從頂層到達底層的平均用時約為1皮秒。Zhao說：「如果電子像常識那樣是所謂的經典粒子，那麼在這1皮秒的某個時刻里一定會出現在第二層」因此研究團隊使用了另一種顏色的第三束激光對中間層進行監測，然而並未發現任何電子。該實驗對反常識的電子移動方式的發現被內布拉斯加大學的理論科學家Ming-Gang Ju和Xiao Cheng Zeng的模擬實驗進一步證實。Zhao認為，對電子在范德瓦爾斯力連接的原子層間的量子傳輸方式的驗證對於新材料研究者來說十分重要。

他說：「材料被用於劃分人類歷史：石器時代，青銅時代和鐵器時代，現代信息科技時代很大程度上基於硅材料，而這是幾十年致力於發現新材料、發展製造高品質低成本材料的技術研究的成果。近幾十年研究者學會了通過在納米尺度上改變材料的尺寸和形狀來調整材料的性質。大約幾十年前，研究者發現了一種被稱為二維材料的納米材料，這種材料由單層原子或者分子組成，其中最廣為人知的就是石墨烯這種單層碳原子材料。至今，大約已經發現了100種二維材料，比如三種我們的研究中使用的材料。由於可以通過范德瓦爾斯力將原子層堆疊到一起，據此將能研究出更多新的功能材料。我們團隊的工作著重點是這種材料對於電子和光學應用必須是理想的：電子必須能夠在原子層間有效移動。該研究顯示電子能在原子層間進行量子傳輸，就像是在其他導體和半導體中。」

[CliffBao via phys]

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