2026年3月12日——电子是微小且持续运动的粒子。它们在晶体晶格中的行为决定了材料的关键特性：导电性、磁性或新颖量子效应。任何致力于开发未来信息技术的人都必须理解电子的行为。

德国于利希研究中心现已为此研发出一款全新工具：完全自主设计建造的动量显微镜。“国际上对该方法的关注度正在快速攀升，”于利希研究中心的克里斯蒂安·图什博士解释道。

动量显微技术的先驱

图什博士早年在哈勒马克斯·普朗克微结构物理研究所期间，就在推动动量显微技术发展中发挥了关键作用。2015年转职于利希后，他持续推动该技术的进步，其成果先后荣获2018年凯·西格巴恩奖和2016年同步辐射创新奖等多项殊荣。

近年来，全球多所同步辐射设施和X射线激光实验室已部署该设备。他最近在《应用物理快报》期刊发表了关于该方法的综述论文。

“我们与机械车间联合打造的这台设备是真正的创新，目前市场上尚无同类商用产品，”图什博士表示。

从大型装置到桌面激光器

传统动量显微镜通常需要电子加速器或X射线激光器等大型辐射源，而于利希系统仅需一台高功率桌面紫外激光器即可运行。这得益于新开发的电子光学设计，其效率远超既往系统，还能呈现更清晰的电子态图像。

从光电效应到全景成像

该技术基于光电效应：当光照射材料时，发射电子会保持其动量及自旋方向。通过这些信息可重构电子先前的量子态，由此发展出的光电子能谱和显微技术已成为固态物理学的标准研究方法。

“但在大能量范围内同步捕捉自旋和动量时，这些传统方法存在局限，”图什博士指出。动量显微镜将两种方法集成于单一设备，“仅需数次测量即可获得完整信息图谱。”

电子运动路线图

该设备不仅能定位电子位置，还可追踪其运动轨迹。单次实验即可获取包含动量、自旋、轨道及时空变化等信息的电子运动“路线图”。

通俗比喻：普通显微镜显示的是集市中人群的分布位置，而动量显微镜则能揭示他们的行进方向、速度——对电子而言还包括自旋取向。

电子指纹

核心成果之一是被称为费米面的电子动量分布图谱，这对判定材料基本物理性质至关重要。研究人员将其视作材料“指纹”：费米面能揭示材料是金属、半导体，还是具有超导性或复杂磁性等奇异特性的量子材料。

新发现的钥匙

问世短短数年间，该技术已促成多项突破。图什团队成功制备出仅传导特定自旋方向电子的二维半金属——这对自旋电子学极具价值。此外，研究人员还发现了一种调控电子轨道角动量的新效应，为“轨道电子学”开辟了前景。

多材料通用平台

这台新型显微镜适用于金属、铁磁体、氧化物、有机薄膜及拓扑量子材料等多种现代材料。其电子透镜可通过可变电压实现虚拟位移，使研究人员能对动量图像特定区域进行数字变焦。

采用激光激发样本电子还能进行时间分辨实验，可研究电子器件切换过程中的超快现象。

量子世界新视窗

团队抱有更高期待：“我们最希望能观测到尚未被发现的崭新效应，”图什博士表示。目前该设备仍处于测试阶段，使用金晶体作为校准基准，但很快将拓展至其他材料——为量子世界打开又一扇探索之窗。