电子在晶格中的运动与分布决定材料的多项关键性质，包括电导率、磁性以及各类量子效应。德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）近日启用一台由其团队完全自主研发制造的动量显微镜，用于更直接地观测与重建材料中电子的量子态信息。于利希研究中心的Christian Tusche博士表示，国际上对这一方法的兴趣正在快速升温。

推动动量显微镜发展的研究团队

Tusche在哈雷马克斯·普朗克微结构物理研究所工作期间即参与推动动量显微镜的发展。2015年调任于利希后，他继续推进相关技术，并获得多项奖项认可，包括2018年的Kai Siegbahn奖和2016年的同步辐射创新奖。近期，他在《应用物理快报》发表了关于该方法的综述文章。

据介绍，近年来全球多家同步辐射设施与X射线激光装置已陆续配置相关仪器。Tusche称，于利希团队与机械车间共同打造的新设备属于创新型研制，目前市场上没有专业公司提供同类产品。

从大型光源转向桌面紫外激光

以往动量显微镜通常依赖电子加速器或X射线激光等大型科研设施作为辐射源。于利希此次采用的是一台高功率桌面紫外激光器。

研究中心表示，这一转变得益于新开发的电子光学设计：在提升系统效率的同时，可获得更清晰的电子态图像。

基于光电效应的“全景式”测量

动量显微镜建立在光电效应之上：光照射材料后，电子被激发逸出，并保持其动量信息，通常也保留自旋方向。研究人员可据此重建电子在材料中原先所处的量子态。光电子能谱与显微技术因此成为固态物理研究中的常用手段。

Tusche指出，传统方法在获取更宽能量范围内的自旋与动量信息时存在局限。动量显微镜将相关测量能力整合在同一平台上，使研究人员在一次或少数几次测量中即可获得更完整的图像。

同时呈现动量、自旋与时空变化信息

于利希研究中心介绍，动量显微镜不仅显示电子在空间中的分布，还能揭示其运动方式。单次实验的结果可包含动量、自旋、轨道信息，以及空间与时间变化。

研究人员以类比说明：传统显微镜更像显示“人站在哪里”，而动量显微镜则进一步呈现“人往哪里走、速度如何”，对电子而言还包括自旋方向。

费米面作为材料“指纹”

动量显微镜的重要产出之一是费米面信息。费米面描述电子的动量分布，被视为决定材料基本物理性质的关键指标。研究人员将其比作“指纹”，用于识别材料是金属、半导体，或是否呈现超导、复杂磁性等量子材料特征。

已用于二维半金属与轨道角动量效应研究

于利希团队表示，动量显微镜自问世以来已推动多项研究进展。Tusche团队曾制备一种二维半金属材料，该材料仅对特定自旋方向的电子导电，被认为为自旋电子学提供了研究路径。此外，研究人员还观察到一种可控制电子轨道角动量的新效应，为“轨道电子学”研究打开空间。

适用多类材料并支持时间分辨实验

据介绍，新型于利希动量显微镜可用于多种现代材料体系，包括金属、铁磁体、氧化物、有机薄膜以及拓扑量子材料。其电子透镜可通过可变电压实现“虚拟移动”，以便研究人员聚焦动量图像的特定区域。

同时，利用激光激发样品电子还可开展时间分辨实验，用于研究超快过程，例如电子器件的开关过程。

仍处测试阶段，后续将扩展样品体系

Tusche表示，团队希望借助该设备发现此前未见的未知效应。目前，这台动量显微镜仍处于测试阶段，研究人员以金晶体作为校准参考，并计划在不久后将更多材料纳入实验，进一步拓展对量子世界的观测窗口。