拓撲絕緣體、復合氧化物、超導體、量子點、色心托管半導體和其他類型的強相關材料具有獨特的特性，如邊緣導電性、多鐵性、磁阻、超導性、單光子發射和光學自旋鎖定。這些性質在很大程度上取決于材料的詳細原子尺度結構，包括原子缺陷、摻雜劑和晶格堆疊。近日，斯坦福大學Jennifer A. Dionne、Parivash Moradifar對透射電子顯微鏡的發展加速量子材料的發展進行了綜述研究。
本文要點：
1) 作者描述了電子顯微鏡（EM）領域的進展如何加速量子材料和量子激發的進展，其中包括原位和操作EM，作者首先介紹EM的基本原理和操作模式。然后，作者討論了各種EM方法，如（i）EM光譜，包括電子能量損失光譜（EELS）、陰極發光（CL）和電子能量增益光譜（EEGS）；（ii）四維掃描透射電子顯微鏡（4D-STEM）；（iii）動態和超快EM（UEM）；（iv）互補超快光譜法（UED，XFEL）；以及（v）原子電子斷層掃描（AET）。作者描述了這些方法如何在皮米尺度和飛秒時間分辨率下為量子材料的結構-功能關系提供信息，以及它們如何實現原子缺陷的精確定位和量子材料的高分辨率操作。對于每種方法，作者還描述了解決開放量子力學問題的現有局限性，以及如何解決這些局限性以加快進展。
2) 該綜述強調了EM如何能夠識別量子缺陷的3D結構；測量量子激發的可逆和亞穩態動力學；繪制激子態和單光子發射；測量納米級熱輸運和耦合激發動力學；以及測量量子異質界面的內部電場和電荷密度分布。最后，作者描述了未來挑戰，包括實現超低溫（低于10K）原子級空間分辨率的穩定樣品支架，實現meV能量分辨率的穩定光譜儀，以及磁場和自旋場的高分辨率動態映射。
Parivash Moradifar et.al Accelerating Quantum Materials Development with Advances in Transmission Electron Microscopy Chem. Rev. 2023
DOI:10.1021/acs.chemrev.2c00917
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00917
