在強光場驅動下，石墨烯中的電子能夠以極高概率穿越能隙，在不同能帶之間發生躍遷。德國雷根斯堡大學、馬爾堡大學和於利希研究中心的科學家將激光技術與電子顯微技術相結合，首次實時追蹤了這一超快量子過程，發現電子穿越能隙的隧穿概率最高可達100%。相關研究發表於最新一期《自然》雜志。

在固體材料中，電子只能佔據特定的能量范圍，這些范圍被稱為能帶。一般情況下，電子被限制在各自的能帶中。但在強電場作用下，電子可以發生朗道—齊納—馬約拉納躍遷，穿越能隙進入另一能帶。然而，傳統顯微鏡難以呈現其能量狀態的瞬時變化。為此，研究團隊開發了一種結合激光技術與光電子動量顯微鏡的測量方法。

“如果想知道一場比賽誰贏了，就必須觀察所有參賽者。”論文第一作者文森特·埃格斯打了個比方。要捕捉發生量子躍遷的電子，科學家同樣需要盡可能多地同時觀察電子的運動。為此，科學家使用的光電子動量顯微鏡並不直接放大物體圖像，而是記錄電子的能量和運動狀態，繪制電子在不同能量狀態下的分布圖。

借助這一技術，科學家得以觀察光脈沖產生的電場如何加速電子，並推動它們在不同能帶之間切換。這項研究使用了於利希研究中心制備的高純度原子級石墨烯材料，其中包括經過旋轉處理的石墨烯結構。這些材料能夠減少雜質干擾，使電子的量子運動過程更加清晰。

測量結果顯示，在強光場作用下，電子穿越能隙的隧穿概率最高可達100%。即使相關能態之間存在明顯的能量間隔，躍遷仍然可能以很高的概率發生。研究還發現，電子接近能隙的速度是影響躍遷的重要因素。這種由電子動態運動引發的躍遷，與通常所說的電子穿過空間能量勢壘的量子隧穿有所不同。

該實驗為觀察量子世界打開了一扇全景窗口。這種測量方法未來有望用於多種量子材料，為利用光有選擇性地調控材料的電子性質開辟全新的可能性。（記者張佳欣）