以色列魏茨曼科学研究所的研究团队利用电子的波粒二象性，在扭曲双层石墨烯系统中展示了一种概念上的新型扫描探针显微镜，即量子扭转显微镜（quantum twisting microscope，QTM）。这种显微镜可以在创造新型量子材料的同时作为探测其电子的最基本量子性质的新型工具，有望为量子材料的新型实验开辟道路。该成果于2月22日发表在《自然》杂志上。
2018年，科学家们发现将两片单原子厚的碳（即石墨烯）相对彼此扭转某一特定角度（魔角）时即可观察到该系统可以无电阻地导电。这个扭转角随后被证明是控制电子行为的最关键参数。仅仅改变一个非常小的角度，就可以将材料从一个特异性超导体转变为一个非常规绝缘体。然而，尽管它很关键，这个参数在实验中是最难控制的，因为扭曲双层石墨烯的稳定性远低于结构完全对齐的石墨烯。
为此，魏茨曼科学研究所的研究团队开发了量子扭转显微镜。具体而言，他们先制造了一个由铂金制成的金字塔形AFM针尖，在其上沉积了石墨和氮化硼，最后在这个针尖上覆盖了一层石墨烯。将针尖安装在原子力显微镜上，使石墨烯与另一层石墨烯接触，而该石墨烯层则被放置在一个角度旋转器上，用来控制层间的角度排列。一个二维界面将在这两层表面接触时形成，而一旦电子的波函数在界面两边匹配，即满足动量配原理时，电子便可以在不同的位置进行隧穿。利用量子扭转显微镜，他们进行了一系列实验，包括探针尖端的室温量子相干性验证、双层石墨烯相互扭曲时各层之间的动量匹配如何改变整个结构的电荷传输特性，并通过测量穿过两层石墨烯之间的屏障的电流研究了该结构的能量散布。除了这些概念验证，他们还探测了具有更复杂的能量分散的系统。他们用一个覆盖着单层石墨烯的尖端来探测一个由扭曲双层石墨烯制成的样品。通过改变原子力显微镜尖端施加的压力，该团队发现可以改变扭曲的双层石墨烯的能量分布。
这种量子扭转显微镜是原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）的合并，是一个既可以控制碳薄层之间的角度排列、也可以在原地操作时测量层状结构的能量分散的仪器。“针对困难的扭曲双层石墨烯制备过程，我们最初的研究动机是想建造一台能解决这个问题的仪器。这个仪器可以连续地将任何两种材料相互扭曲，并随时产生无限的新型材料，”团队负责人Shahal Ilani教授说。“然而，在建造这台机器的同时，我们发现它也可以变成一个非常强大的显微镜，能够以过去无法想象的方式看到量子电子波。”这项技术的下一步将是在低温下发展同样的实验，因为在低温下，与修正的能量弥散相关的量子现象会得到加强。将该工作所展示的两种类型的实验结合起来也会很有趣，即当一个结构的各层相对扭曲时，原地测量其能量弥散的变化。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05685-y
报道链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-023-00474-7
图1 量子扭转显微镜。a、Inbar等人开发了一种称为量子扭转显微镜的工具，它可以用于控制由单层原子组成的一个或多个片层之间的角度对准，比如石墨烯。该显微镜由一个金字塔形金属探头组成，其表面被覆盖上一层单原子（例如石墨烯），并与旋转样品的第二个样品接触。b、通过这种方式，该显微镜可以用于原位控制这些层的角度对准。c、该设备还可以测量和改变多层结构中电子能量随动量变化的方式。在这种模式下，电子通过添加的二硒化钨层移动。