科学家第一次直接拍下电子“上高架”的视频

导读：

 来自德国的研究人员用一种新的超快成像方法，直接追踪到石墨烯的电子跃迁。

瞿立建｜撰文

我们都知道量子跃迁，但你见过吗？2026年10月28日，来自雷根斯堡大学、马尔堡大学和于利希研究中心的研究人员在Nature杂志报告，他们利用一种新的超快成像方法，拍下了石墨烯中电子跃迁的“视频”。

视频链接：

https://static-content.springer.com/esm/art%3A10.1038%2Fs41586-026-11214-y/MediaObjects/41586_2026_11214_MOESM1_ESM.mp4

石墨烯里的电子的能带可以想象成一个多层桥的交通系统，不同能量的电子处于不同层的桥上。“地面道路”是价带（Valence Band），导带（Conduction Band）则是“高架桥”，二者之间没有匝道相连，电子却可以在两个能带之间跳跃

那么，电子要如何上高架桥呢？

我们可以用光照射石墨烯，电子获得能量上高架，有两种具体方式。

第一种方式是弹射。我们用弱光照射石墨烯，电子吸收能量，如果能量正好是地面与高架之间的能量差，直接跃上高架。这种跳跃发生概率很低。

如果用强激光照射石墨烯，光的电场就像一只持续踩下的油门，推动电子在动量空间中不断移动。当电子经过石墨烯能带交汇的特殊区域——K点附近时，可能从价带跃迁到导带。这个过程就像汽车在地面道路与高架桥交汇处，从一条路切换到另一条路。这一过程称为朗道–齐纳–马约拉纳（Landau–Zener–Majorana，LZM）跃迁。它是一种非绝热量子隧穿过程：在强光电场驱动下，电子经过能带交叉附近的区域时，可能发生能带间跃迁。整个过程快得惊人，所需时间不到1飞秒（1飞秒等于千万亿分之一秒）。要知道，我们眨一次眼睛就过去了100万亿飞秒。

这么短暂的过程被德国科学家拍了下来。

研究人员设计了一种特殊的“量子高速摄影”方法。实验中一共使用了两束光。第一束是强中红外光，负责推动电子运动。第二束则是极短的极紫外探测光，相当于相机的“快门”。在一个预先设定好的时刻，这束极紫外光会把石墨烯中的部分电子打出材料。

电子一旦飞出石墨烯，就会进入光电子动量显微镜。研究人员随后测量这些电子的能量以及它们在不同方向上的动量，再反推出那个瞬间电子在石墨烯能带中的分布。这样，一张“电子交通快照”就得到了。

接下来，研究人员把第二束光到达的时间稍微往后移动一点，再做一次实验；然后继续往后移动，再拍一张。

每一个时间点都要重复大量实验，以收集足够多的电子数据。最后，把这些不同时刻的电子分布图按照时间顺序排列起来，就形成了一段电子运动的“慢动作视频”。

所以，这里的“视频”并不是像普通摄像机那样，从头到尾盯着同一个电子连续拍摄。它是同一个过程被反复重复，每一次只在稍微不同的时刻按下“快门”。当这些快照按照时间顺序拼接起来后，原本快到无法直接观察的电子运动，就被“放慢”了。

如何看出来电子有没有“上高架”？

如果强光只是推动原本就在导带里的电子运动，那么电子云应该主要是整体移动。就像一队汽车整体向前开，车队的位置会变化，但形状不会发生特别大的改变。

可实验中看到的情况并不是这样。电子分布不仅在移动，而且沿着光场方向不断被拉长，逐渐形成一个明显的长椭圆。

为什么会这样？上了高架的电子被强光继续加油门向前开，而并线口又不断有新电子进入高架，于是整支电子车流会越来越长。正是这种电子分布的持续拉长，为LZM跃迁提供了关键证据。

影片的后半段还有另一个重要变化。刚刚“上高架”的电子，最初运动得相当整齐，方向也非常明确。但这种秩序并没有维持多久。很快，电子分布开始向其他方向扩散，原本细长的椭圆逐渐变圆。

如果继续使用交通比喻，可以把它理解成：刚进入高架的车辆原本整齐地沿着同一个方向前进，但很快受到各种“干扰”，车流开始变得混乱。

这些干扰来自电子之间的相互作用，也来自电子与石墨烯晶格振动之间的散射。

石墨烯中的碳原子并不是完全静止的，它们一直在振动。电子在运动过程中会与这些晶格振动交换能量和动量，从而改变原来的运动方向。

研究表明，这些散射过程会在极短时间内破坏电子原本有序的运动。论文得到的平均散射时间只有大约9飞秒。这意味着，强光虽然能够极其迅速地操纵电子，但这种精确控制能够维持的时间窗口同样短得惊人。

LZM跃迁在几十年前就被预言到了。这一论文的突破在于，研究人员终于拥有了一台足够快、视野又足够大的“电子高速摄像机”，能够直接追踪整个过程：强光如何推动电子运动，电子如何接近K点附近的能带交叉区域，又如何从价带进入导带，随后这些有序运动又怎样被散射迅速打乱。

过去，人们更多只能看到电子受光作用前后的结果，再根据这些结果推测中间发生了什么。而现在，科学家开始能够把这些原本隐藏在飞秒时间尺度中的过程一帧一帧“展开”。

未来，科学家将有可能用类似的方法，去观察更多量子材料中那些过去只能间接推测、却从未真正看清的超快电子过程。

参考资料：

Eggers, V., Inzani, G., Meierhofer, M. et al. Subcycle videography of Landau–Zener–Majorana transitions in graphene. Nature 659, 63–68 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-11214-y

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