2026年8月26日——三十多年来，美国能源部科学办公室用户设施——劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的先进光源（ALS）——一直帮助来自世界各地的科学家加深对量子材料的理解。这类固体材料中，电子之间的相互作用极为强烈，从而涌现出全新的集体行为，如超导电性、奇异磁性等现象，这些行为超出了传统理论的预测范围。

ALS 是领先的第三代同步加速器光源，专精于软X射线和紫外光仪器，同时为研究人员提供全谱段X射线光用于科学研究。多年来，ALS 上的强大工具帮助来自学术界、国家实验室和产业界的研究人员识别并确认量子现象的存在，促成了多项重要进展，包括对石墨烯的早期认识、超导拓扑绝缘体的发现、一种可推动下一代存储器件发展的单原子厚度磁体的开发、对实现读写存储器与存储器件所需磁性的新见解，以及一种利用二维金属有机框架（MOF）构建量子计算机量子比特的方法。

随着电子器件逼近传统硅基器件的物理与性能极限，加速开展具有实际应用潜力的量子材料基础研究变得日益迫切，这些应用涵盖超越硅基电子学到量子计算等广泛领域。为迎接这一量子未来，ALS 正在进行一项历史性升级，届时将产生比现今亮数个量级、更高相干性（类激光）的光束。（观看这个关于相干性的视频解说了解更多。）这将与预期提升的探测器性能一道，使研究人员能够直接测量缺陷，并在纳米尺度上观察奇异量子态在原位随十亿分之一秒时间演化的过程。

揭示超导体的秘密

ALS 上的角分辨光电子能谱（ARPES）仪器在推动科学家理解超导电性方面发挥了关键作用。超导电性是一种量子力学性质，使特定材料能以零损耗或极低损耗导电。

ARPES 利用明亮的X射线光同时绘制电子的能量和动量分布，从而揭示决定材料性质的完整电子能带结构。

“ALS-U 对美国同步加速器研究界来说是一项非常重要的事业。[它]将开启新颖而激动人心的实验，这些实验将对我们开展的量子材料等领域研究产生重大影响。”——里卡多·科明，麻省理工学院物理学副教授

多年来，设置在 ALS 的 MAESTRO（微观与电子结构观测装置）仪器中的 ARPES 工具，在解析高温超导电性、超导拓扑绝缘体及其他新型量子材料的机理方面扮演了关键角色。MAESTRO 将 X 射线束聚焦至小到10微米的光斑——约为人发直径的十分之一——从而能够对微小样品或材料的特定区域进行测量。

2022年，麻省理工学院物理学副教授里卡多·科明及其团队利用 ALS 上的 MAESTRO ARPES 仪器，识别并测量了在一种 Kagome 金属中产生超导电性的电子速度。Kagome 金属是一种新兴量子材料，可作为发现其他量子材料的平台，并可能带来新一类超导体、量子计算新方法及其他量子技术。

“先进光源上的 MAESTRO 是全球领先的 ARPES 工具之一，”科明说。“它是研究量子材料的重要工具，因为它能让你拍下电子在能谱上所处位置的快照。”

ALS 升级将使 X 射线束聚焦至小于25纳米——足以分辨当前仪器无法看到的量子材料中的纳米尺度变化。ALS 正在探索进一步降至小于10纳米的升级方案，包括一种名为“终极 NanoARPES”的新技术，该技术将对超导量子比特和奇异金属等量子材料中的单个缺陷敏感。

“ALS-U 对美国同步加速器研究界而言是一项非常重要的事业。这是一项非常重要的进展，它将带来新颖而激动人心的实验，并将对我们开展的量子材料及相关领域研究产生重大影响，”科明补充道。

将量子自旋转变为下一代自旋电子器件

ALS 上的 ARPES 技术还帮助研究人员揭示了可能推动下一代自旋电子学（spintronics）发展的量子现象。这类器件有望比今天的器件更小、更快、更稳健。

在最近的一项进展中，莱斯大学物理与天文学副教授易明利用 ALS 上的自旋分辨 ARPES 技术，测量了由铟、钽和硫组成的晶体化合物（In_xTaS₂）中电子的能量、动量和自旋。研究结果展示了一种不仅在晶体表面、而且在其三维结构内部调控相反自旋电子的方法。控制这些电子的运动可能带来理想的特性，从而推动未来电子学和自旋电子学应用的发展。该工作还验证了一种量子理论，该理论预测了一种具有超导特性的材料，可能提升量子计算机的计算速度。

自旋分辨 ARPES 使用三维探测器来表征电子自旋的方向。ALS 升级将显著提高该技术的能量分辨率、通量（入射到样品的X射线速率）和稳定性。

“ALS 升级将使我们能够探测更小尺度上的电子相干性和涌现电子相，而这些目前使用的工具是无法企及的，”易明说。

开发量子比特

量子比特中的缺陷可能导致量子计算中的退相干和处理错误。这些杂质的影响难以评估，因为研究人员能够直接测量量子相干性（电子在材料中保持量子相位关系的微妙状态）的工具十分有限。

ALS 升级项目（ALS-U）正准备帮助依赖 ALS 的研究人员展示在纳米尺度上以更强控制力合成量子材料的新技术。

“ALS 升级产生的更亮、更高相干性的光，对于观察特定缺陷如何破坏量子比特中的相干性至关重要。它还将使我们能够达到更小的长度尺度，并塑造量子材料的工作方式，”ALS 高级科学家、ARPES 项目负责人埃利·罗滕伯格表示。

用相干 X 射线散射探测量子现象

电子是带负电荷的粒子，带有一种名为自旋的内禀属性，这种属性会以某种方式产生微小的磁场。理解电子如何集体行为，可以为超导电性和磁性等量子相的演化带来新的洞见。

除了 ARPES 技术之外，ALS 还在相干软X射线散射领域处于领先地位。相干软X射线散射是测量电子及其自旋在材料中异质分布的关键工具。

目前，ALS 上的相干散射由 COSMIC（相干散射与显微镜）仪器支持，但升级完成后，该技术将转移到计划中的新仪器 FLEXON（纳米尺度有序涨落与激发）上。

FLEXON 将具备两项新能力：X射线光子相关光谱学（XPCS），用于测量量子材料中电荷和自旋的纳秒级涨落；以及相干 X 射线反射显微镜，可对材料的电子和磁学特征进行纳米级成像。

这款开创性的新型显微镜由 ALS 研究科学家、项目负责人索菲·莫利与 ALS 高级科学家苏乔伊·罗伊及科明合作开发，将使研究人员能够在更广泛的材料（从薄层二维材料到较厚的单晶）中观察纳米尺度的电荷与自旋图案。他们的工作得到了伯克利实验室实验室定向研发计划和美国能源部科学办公室的支持。

“这项新技术将彻底改变我们观察量子材料的方式，”科明说。

借助 XPCS 推进神经形态计算

FLEXON 的 XPCS 仪器将支持纳秒级涨落研究，帮助加州大学圣迭戈分校物理学副教授亚历克斯·弗拉尼奥推动一种名为神经形态计算的新兴技术向前发展。通过模仿大脑的神经网络，神经形态计算系统可能具备推动量子计算机和 AI 技术发展的潜力，使其能以比当前方法更高效、更节能的方式处理信息。

“大脑是一种能用极低能量完成惊人计算的仪器。神经形态计算关注的是如何利用材料中的电子特性，来复制大脑神经系统的某些功能，”弗拉尼奥解释道。

新的 XPCS 仪器将让弗拉尼奥得以探索相关电子如何在纳米尺度上跨越极短距离进行通信，并追踪这些事件在纳秒时间尺度内的动力学过程。

“推进我的神经形态计算研究将百分之百依赖于 ALS 升级。更高亮度的相干光将使我们能够以一种变革性的方式探测电子的有序图案，并揭示那些否则不可能探测到的量子力学现象，”弗拉尼奥说。