量子显微镜观察魔角“三明治”的奇异现象

有趣的量子世界拥有一种奇异现象：一个粒子，例如电子，同时具有波的特性，所以它可能存在于空间中各个地方。以色列魏茨曼科学研究学院团队利用这一特性开发了一种新型工具——量子扭曲显微镜（QTM），它可以创造出新的量子材料，同时观察电子的基本量子特性，这意味着，人造电子材料可以设计各种功能，以上结果已发表在期刊《Nature》上。

图1 TBG 能带的 QTM 成像[1]

QTM涉及到两个原子级厚度二维材料相互之间的“扭曲”或旋转。近年来，这种扭曲已成为该研究的主要动力。它始于这样一个发现：两层石墨烯——单原子层厚度的碳单晶，若两层相对有一个小扭转角度，会产生一个具有新奇特性的“三明治”。

扭转角是控制电子行为最关键的参数：仅改变0.1度，超导体就转变为非常规绝缘体。尽管这个参数很关键，但它也是实验中最难精确控制的。而且，扭曲两层到一个新的角度需要从头开始建立一个新的“三明治”，这是一个非常漫长和乏味的过程。

“我们最初的动机是要解决这个问题，建立一个机器，可以不断扭曲任何两种材料层，随时生产扭曲度不同的新型材料，”该团队负责人、魏茨曼凝聚态物理学教授Prof. Shahal Llani说，“然而，在制造这台机器的同时，我们发现它还是一台功能强大的显微镜，史无前例地观察量子电波。”

绘制量子图像

长期以来，图片在科学发现中发挥着核心作用。光学显微镜和望远镜经常提供图像，使科学家能够更深入地了解生物和天体物理系统。另一方面，由于样品尺寸很小，多年来捕捉材料内部电子行为非常困难。

大约40年前，随着扫描隧道显微镜的发明，以上困境发生了该表，它的开发者因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。这种显微镜使用原子级尖端扫描材料表面，测量电流并逐渐建立样品中电子分布的图像。

“自发明以来，科学家已经开发了许多不同的扫描探针，每个探针测量不同的电子特性，但所有这些探针都一次在一个位置测量这些特性。因此，他们大多将电子视为粒子，只能间接地了解它们的波动性质，”魏茨曼科学研究学院Ady Stern教授解释道。他与另外三维理论物理学家Binghai Yan教授、Yuval Oreg教授、和Erez Berg教授共同完成了这项研究。

Stern说：“事实证明，我们已建立了一种可以直接观察量子电子波的工具，给我们一种方法来解开它们在材料内部表现的量子舞蹈。”

一个电子出现在多个地方

“观察量子波的诀窍是在同一时间在不同位置发现同一个电子,”论文的第一作者Alon Inbar说。“这种测量方法在概念上类似于著名的双缝实验。一个世纪前，双缝实验首次证明了量子力学中的电子具有波的性质,”另一位主要作者John Birkbeck博士补充说，“唯一不同的是，我们在扫描显微镜的尖端进行这样的实验。”

为了达到这个目的，他们用一个包含量子材料的薄层(例如单层石墨烯)的尖端取代了原子扫描隧道显微镜尖端。当这一层与样品表面接触时，它形成一个二维界面，电子可以在许多不同的位置穿过这个界面。

量子力学上，它们可以同时在任何位置隧穿，不同位置的隧穿事件相互干扰。这种干涉只允许电子在界面两侧的波函数完全匹配的情况下隧穿。“要看到量子电子，我们必须温和一点，”Ilani 说。“如果我们不问它一个粗鲁的问题‘你在哪里？相反，我们为它提供了多条进入探测器的路径，而我们并不知道它究竟穿过了哪里，我们允许它保持其脆弱的波特性。”

扭曲和隧道

一般来说，电子波在尖端和样品传播的方向不同，因此不匹配。QTM 使用它的扭转能力来找到匹配发生的角度: 通过不断地扭转针尖相对于样品，工具使它们相应的波函数也相对于另一个扭转。一旦这些波函数在界面两侧匹配，隧穿就可能发生。

因此，扭转允许 QTM 映射电子波函数如何依赖于动量，类似于尖端的横向平移使其依赖于位置的映射成为可能。

仅仅知道电子穿过界面的角度就为研究人员提供了大量有关被探测材料的信息。通过这种方式，他们可以了解样品中电子的集体组织，它们的速度，能量分布，干涉模式，甚至不同波之间的相互作用。

量子材料的新发展

另一位主要作者Jiewen Xiao说：“我们的显微镜将为科学家提供一种观察和测量量子材料性质的新型‘透镜’。”

魏茨曼团队已经将他们的显微镜应用于研究几种关键量子材料在室温下的性质，现在正准备在几开尔文的温度下进行新的实验，在那里已知会发生一些最令人兴奋的量子力学效应。

如此深入地观察量子世界有助于揭示关于自然的基本真理。在未来，它也可能对新兴技术产生巨大的影响。QTM 将为研究人员提供前所未有的新量子接口光谱，以及发现其中量子现象的新“眼睛”。

新闻链接：

https://phys.org/news/2023-02-quantum-microscope-lens-materials.html

[1] Inbar, A., Birkbeck, J., Xiao, J. et al. The quantum twisting microscope. Nature 614, 682–687 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05685-y