跳动城乡网雷根斯堡大学的物理学家精心设计了量子电子能级的变化，原子振荡速度超过万亿分之一秒。将球扔到空中，可以将任意能量传递给球，使其飞得更高或更低。量子物理学的奇怪之处之一是，粒子(例如电子)通常只能呈现量子化的能量值——就好像球在特定高度之间跳跃，就像梯子的台阶一样，而不是连续飞行。
量子位和量子计算机以及发光量子点(2023年诺贝尔奖)都利用了这一原理。然而，电子能级可以通过与其他电子或原子的碰撞而改变。量子世界中的过程通常发生在原子尺度上，而且速度也非常快。
雷根斯堡的一个团队利用一种新型超快显微镜，成功地在超快时间尺度上以原子分辨率直接观察单个电子的能量如何通过周围原子的振动来调节。值得注意的是，他们还能够专门控制这个过程。这些发现对于超快量子技术的发展至关重要。
物理学家使用原子薄材料来研究当该原子层像鼓膜一样上下移动时离散能级如何变化。他们在一个空位处观察到了这一点——当单个原子被移除时留下的空隙。
这种原子级厚度的二维晶体以其多功能、可定制的电子特性而闻名，对未来的纳米电子学特别有趣。晶体中的空位是量子位(量子计算机的基本信息载体)的有希望的候选者，因为它们像原子一样具有离散的电子能级。
研究人员发现，他们可以通过触发原子薄膜的鼓状振动来改变缺陷的离散能级：周围原子的原子运动发生变化，从而控制空位的能级。这些结果发表在《自然光子学》上。
为了实现这一突破性发现，研究人员必须克服几个障碍。观察原子局域能级及其动力学需要1埃的原子分辨率。此外，纳米世界中的运动速度极快。
“为了追踪能级如何变化，有必要拍摄能级的频闪快照，每个快照的记录时间不到万亿分之一秒，比皮秒还要快，”第一作者卡门·罗尔克(CarmenRoelcke)解释道。
卡门·罗尔克(CarmenRoelcke)、卢卡斯·卡斯特纳(LukasKastner)和雅罗斯拉夫·格拉西门科(YaroslavGerasimenko)周围的团队通过利用扫描隧道显微镜的能量和空间分辨率的复杂方法解决了所有这些挑战。同时，使用定制的超短激光脉冲可以记录慢动作中的极快动态。JaschaRepp和RupertHuber团队的综合专业知识为所需的超快原子尺度光谱创造了决定性的协同作用。
“通过我们的新颖方法，我们能够破译原子鼓膜的结构运动和慢动作中局部能级的变化，”雅罗斯拉夫·格拉西缅科说。MaximilianGraml和JanWilhelm的第一性原理计算最终解释了原子薄层中的原子在振荡过程中如何移动，以及这如何影响离散能级。
雷根斯堡团队的工作开创了原子局域能级动力学及其与环境相互作用研究的新时代。这一发现使得能够以最直接的方式局部控制离散能级。例如，单个原子的运动可以改变材料的能量结构，从而创造新的功能或特别改变发光半导体和分子的特性。
基于极端空间、时间和能量分辨率的前所未有的结合，对电子与晶格振动的局域相互作用等基本过程的更深入理解是可以实现的。此外，这种方法可以帮助揭开相变背后的关键过程的秘密，例如尚未了解的高温超导性。
