KAIST：“实现电子图案生成与消失可视化……揭开量子现象之谜的线索”

by Jeong Ilwoong

Published 20 Jan.2026 08:14(KST)

包括超导现象在内的物质内部量子现象之谜，在于电子何时“协同运动”、何时“彼此分散”。韩国国内研究团队成功以肉眼直接确认电子建立秩序并将其打破的瞬间。

KAIST表示，物理学系研究团队（教授 Yang Yongsoo、Lee Seongbin、Yang Heejun、Kim Yonggwan）与美国斯坦福大学联合研究，成功将量子物质内部电荷密度波（Charge Density Wave）形成和消失的全过程进行空间可视化，并于20日对外公布。

电荷密度波是指在将特定量子物质冷却到极低温度时，电子如同进行群体舞蹈般以一定间隔排布而形成的条纹状或网格状图案。

在液氦为基础的极低温环境中，利用四维扫描透射电子显微镜测量量子物质中形成的电荷密度波空间变化的实验可视化图像。KAIST提供（AI生成）

超导状态是指在没有能量损耗的情况下电流可以100%流动的一种状态，只在极低温度下、特定物质中才会出现。带负电荷的电子在一般环境中会相互排斥，但在超导状态下，电子被认为是以两两成对的形式运动。这一特性已经被应用于医院的核磁共振成像（MRI）检查设备和磁悬浮列车等。

如此这般由电荷强烈纠缠所形成的特殊量子状态，构成了量子计算机等下一代量子技术的基础。

此时，要将包括超导现象在内的极低温量子现象应用于量子计算机，就必须掌握按照需求精确调控物质内部电子的技术。然而，在极低温环境下，电子所形成的电荷密度波图案是如何生成并消失的，一直难以被直接观测，这一过程因此笼罩在迷雾之中。

为揭开电子图案生成与消失之谜，联合研究团队利用了以液氦冷却的特殊电子显微镜和四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）。其原理类似于用超高倍率相机拍摄水结冰时冰晶生长的过程。

不同之处在于，研究团队并非观察水，而是在零下253摄氏度的极低温下观测电子的排布情况，并且不是使用相机，而是使用能够观察到相当于头发丝粗细的1/10尺度的电子显微镜。

通过这种方式实时观测电子图案的变化后发现，电子图案并未在整个物质中均匀出现。在某些区域可以清晰看到图案，而紧挨着的区域却完全没有，类似于湖面并非一次性全部结冰，而是冰层与水面交错共存的情形。

KAIST研究团队合影。KAIST提供

联合研究团队还揭示了这一现象与物质内部极其微小的形变（strain）之间存在深刻联系。肉眼难以察觉的微小压力或扭曲会阻碍电子图案的形成，这是研究的核心结论之一。

相反，在部分区域，即便温度升高，电子图案也不易消失而持续存在。其形态类似于小岛般孤立的“量子秩序”在高温下依然得以维持，这一现象属于既有理论难以解释的领域。

联合研究团队还定量揭示了构成电荷密度波电子图案的电子，彼此之间能在多远的距离上产生相互影响。这一成果不仅停留在“有图案”或“无图案”的层面，而是为理解电子秩序如何连接与维持提供了线索，被评价为为量子物质研究提出了新的分析框架。

Yang Yongsoo教授表示：“以往在极低温下的电子秩序和量子状态的微小变化，主要依赖理论或间接测量，如今已经可以通过直接观测来确认”，“本次研究通过揭示量子物质中隐藏的秩序，将成为加速未来量子技术材料开发的重要突破口”。

另外，本次研究中，KAIST的 Hong Seokjo、Oh Jaehwan、Park Jemin 研究员以共同第一作者身份参与。研究成果已于本月6日发表在物理学领域国际学术期刊《Physical Review Letters》上。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。