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扫描隧道显微镜中的量子相位研究

Probing quantum geometric phase via scanning tunneling microscopy

闫超，高沐伟，赵悦，殷嘉鑫

物理学报, 2026, 75(12): 120701

doi: 10.7498/aps.75.20251800

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文章导读

量子相位是刻画波函数性质与量子物态本质的重要物理量，蕴含着体系的几何、拓扑及多体关联等关键信息。长期以来，相位主要依赖动量空间表征或宏观输运测量间接获取，因此如何在实空间中对其进行直接观测和精确捕捉，一直是凝聚态物理领域的重要挑战。

近年来，扫描隧道显微镜（STM）及其谱学（STS）技术凭借原子级的空间分辨率和对局域电子态的高度敏感性，为量子相位的实空间探测提供了突破性的实验途径。这一进展使得探索和操控相位这一承载信息、揭示微观物理机制的核心维度成为可能。

《物理学报》2026年第12期特邀综述栏目刊登了南方科技大学闫超、殷嘉鑫等撰写的综述文章，系统回顾了基于STM的量子几何相位研究最新进展，重点介绍了将抽象量子相位转化为实空间可视化物理量的四类代表性方法。1）量子干涉仪探测阿哈罗诺夫-玻姆（AB）几何相位：通过构建实空间纳米干涉仪，并利用缺陷或杂质引发的电子波量子干涉，可在施加外磁场后直接测量局域态密度随磁通的周期性振荡，从而定量提取AB几何相位^[1,2]。2）波前位错解析拓扑贝里相位：利用材料（如石墨烯）中缺陷诱导的准粒子散射，借助快速傅里叶变换分析波前位错与条纹数量的变化，可实现在零磁场下直接判定体系的赝自旋涡旋与贝里相位等拓扑信息^[3-6]。3）序参量分解重构复相位：针对魔角双层石墨烯等高对称体系，研究人员发展出基于群论的序参量分解方法，可从复杂的局域态密度调制中重构出谷相干等序参量的空间分布与复相位结构（如涡旋-反涡旋晶格），为识别基态提供了关键实验依据^[7,8]。4）借助二维锁相技术揭示配对密度波（PDW）/电荷密度波（CDW）等电荷序中的拓扑缺陷：在非常规超导体等复杂体系中，二维锁相技术可实现空间滤波与精确的局域相位映射，能成功解析出PDW与CDW的相位纹理，直观展示半涡旋、相位跳变等拓扑缺陷以及多种电荷序之间的交织与关联机制^[9-12]。

这篇综述清晰地表明，STM技术已从传统的电子态密度探测手段，成功跃升为研究量子相位的核心工具。它不仅实现了量子相位的可视化与定量化，更为理解非常规超导、拓扑物态和复杂电子关联提供了不可替代的全新视角。

文章最后展望，随着时间分辨STM、超快STM及原位局域场调控等技术的进一步发展，未来研究人员将有望实时追踪诸如超导序参量相位涨落等瞬态动力学过程，实现相位的操控与重构。这些突破必将为未来的相位工程、拓扑量子器件以及全新的信息编码方案奠定坚实基础。

图1 利用STM研究AB效应

参考文献：

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作者简介

闫  超

现任南方科技大学物理系及量子功能材料全国重点实验室博士后

本科毕业于兰州大学，2024年于北京师范大学获博士学位，主要从事凝聚态物理量子物态与先进扫描隧道显微学研究。

殷嘉鑫

现任南方科技大学物理系副教授，同时就职于量子功能材料全国重点实验室及粤港澳大湾区量子科学中心

2010年本科毕业于中国科学技术大学，2016年获中国科学院物理研究所博士学位。曾在美国休斯敦大学超导中心交流访问，并在美国普林斯敦大学物理系历任博士后及副研究员，2022年全职加入南方科技大学。主要致力于凝聚态物理和先进能谱显微学 (如超低温矢量磁场下的扫描隧道显微镜技术)。

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