拓扑绝缘体、复合氧化物、超导体、量子点、色心托管半导体和其他类型的强相关材料具有独特的特性，如边缘导电性、多铁性、磁阻、超导性、单光子发射和光学自旋锁定。这些性质在很大程度上取决于材料的详细原子尺度结构，包括原子缺陷、掺杂剂和晶格堆叠。近日，斯坦福大学Jennifer A. Dionne、Parivash Moradifar对透射电子显微镜的发展加速量子材料的发展进行了综述研究。
本文要点：
1) 作者描述了电子显微镜（EM）领域的进展如何加速量子材料和量子激发的进展，其中包括原位和操作EM，作者首先介绍EM的基本原理和操作模式。然后，作者讨论了各种EM方法，如（i）EM光谱，包括电子能量损失光谱（EELS）、阴极发光（CL）和电子能量增益光谱（EEGS）；（ii）四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）；（iii）动态和超快EM（UEM）；（iv）互补超快光谱法（UED，XFEL）；以及（v）原子电子断层扫描（AET）。作者描述了这些方法如何在皮米尺度和飞秒时间分辨率下为量子材料的结构-功能关系提供信息，以及它们如何实现原子缺陷的精确定位和量子材料的高分辨率操作。对于每种方法，作者还描述了解决开放量子力学问题的现有局限性，以及如何解决这些局限性以加快进展。
2) 该综述强调了EM如何能够识别量子缺陷的3D结构；测量量子激发的可逆和亚稳态动力学；绘制激子态和单光子发射；测量纳米级热输运和耦合激发动力学；以及测量量子异质界面的内部电场和电荷密度分布。最后，作者描述了未来挑战，包括实现超低温（低于10K）原子级空间分辨率的稳定样品支架，实现meV能量分辨率的稳定光谱仪，以及磁场和自旋场的高分辨率动态映射。
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
