美国先进光源升级将提升量子材料纳米尺度研究能力

位于美国劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源(ALS)正在通过升级项目提升量子材料研究能力。作为美国能源部科学办公室用户设施，ALS在过去30多年中依托同步辐射软X射线、紫外光及全谱X射线实验能力，支持全球科研人员研究超导体、拓扑绝缘体、关联电子材料等量子材料。

加州大学圣地亚哥分校的博士研究生魏“弗朗西斯”何(左一)、凯特·马修斯(右二)和罗宾·格莱夫克(右一)来自先进光源(ALS)COSMIC光束线(7.0.1)的Alex Frañó研究组。他们正与ALS的科学家苏乔伊·罗伊(中)和索菲·莫利(左二)合作，研究一种对神经形态系统具有重要意义的量子材料的特性。 (图片来源：Robinson Kuntz/伯克利实验室)

量子材料的电子相互作用较强，可表现出超导性、特殊磁性等传统理论难以解释的集体行为，被认为与下一代电子器件、信息技术和量子计算的发展密切相关。ALS现有的角分辨光电子能谱(ARPES)等装置，已被用于分析材料中电子的能量、动量和自旋信息，帮助科研人员研究高温超导、超导拓扑绝缘体以及新型量子材料的形成机制。

在相关研究中，麻省理工学院团队曾利用ALS的MAESTRO ARPES仪器测量卡戈梅金属中与超导性相关的电子速度。莱斯大学研究人员也借助ALS的自旋分辨ARPES技术，研究铟、钽和硫晶体化合物中电子的能量、动量和自旋特征，探索其在自旋电子学和量子计算材料中的潜在应用。

根据升级规划，ALS-U将产生亮度更高、相干性更强的X射线束，使研究人员能够在更小尺度上观察量子材料中的缺陷和电子相行为。升级后，X射线束有望聚焦至小于25纳米的尺度;进一步设想中的“终极纳米角分辨光电子能谱”技术，则将把研究目标推进到单个缺陷层面，用于分析超导量子比特、奇异金属等材料中的关键微观结构。

除ARPES外，ALS还在相干软X射线散射研究方面发挥作用。目前使用的COSMIC仪器未来将由计划建设的新仪器FLEXON承接相关功能。FLEXON将包括X射线光子相关光谱(XPCS)和相干X射线反射显微镜等能力，可用于研究量子材料中电荷和自旋在纳米尺度、纳秒时间范围内的波动及分布。

相关研究人员表示，更明亮、更相干的光束将有助于观察量子比特缺陷如何影响相干性，也将推动神经形态计算材料研究。神经形态计算试图借鉴大脑神经网络的信息处理方式，利用材料电子特性实现更高效、低能耗的计算。ALS升级后，科研人员将能够在纳米尺度上跟踪相关电子的相互作用过程，为量子计算、下一代电子学和人工智能相关硬件研究提供更精细的实验支撑。