低溫量子顯微鏡揭示石墨烯“奇異行為”

量子扭轉(zhuǎn)顯微鏡運行的特寫圖。電子以量子相干方式從探針（頂部的倒金字塔）同時在多個位置（綠色垂直線）隧穿到樣品（底部）。圖片來源：以色列魏茨曼科學(xué)研究所4月23日發(fā)表于《自然》雜志的一項新研究中，以色列魏茨曼科學(xué)研究所團(tuán)隊推出了一款用于探索量子現(xiàn)象的強(qiáng)大工具——低溫量子扭轉(zhuǎn)顯微鏡（QTM）。利用這款開創(chuàng)性儀器，他們首次觀察到了電子與石墨烯扭曲層中一種被稱為“相子”的奇異原子振動之間的相互作用。這些發(fā)現(xiàn)為理解當(dāng)石墨烯層旋轉(zhuǎn)至“魔角”時出現(xiàn)的神秘超導(dǎo)性和奇異金屬性提供了新線索。

材料的基本性質(zhì)主要取決于其底層粒子，因此，電子的流動決定了電阻，而被稱為聲子的原子晶格振動則驅(qū)動了熱傳導(dǎo)。然而，當(dāng)電子與聲子耦合時，可能會產(chǎn)生新現(xiàn)象。最引人入勝的現(xiàn)象是，這種耦合使聲子能夠有效地將電子結(jié)合成對，從而產(chǎn)生超導(dǎo)性。盡管這一過程至關(guān)重要，但針對單個聲子模式的電子－聲子耦合測量仍然是一項艱巨的挑戰(zhàn)。

兩年前，該團(tuán)隊推出首代QTM。借助在室溫下運行的QTM，團(tuán)隊能夠?qū)Ω鞣N材料的電子光譜進(jìn)行成像。

現(xiàn)在，該團(tuán)隊研發(fā)出了一款可在低溫下工作的QTM，并發(fā)現(xiàn)它還能以前所未有的精度對聲子進(jìn)行成像。新型QTM采用了一種非彈性過程，即電子在兩個原子級薄層之間隧穿時會發(fā)射出一個聲子，該聲子的能量和動量可通過調(diào)整層間的電壓偏置和扭曲角度來控制。通過系統(tǒng)地調(diào)整這些參數(shù)，他們能夠繪制出被研究材料的完整聲子能譜。

將這項新技術(shù)應(yīng)用于扭曲雙層石墨烯后發(fā)現(xiàn)，一種被稱為相子的獨特低能振動與電子耦合，可隨石墨烯層接近魔角而增強(qiáng)。這種行為以前從未被觀察到，表明相子可能在觀察到的奇異金屬行為和超導(dǎo)性中扮演著關(guān)鍵角色。

團(tuán)隊表示，這款顯微鏡還可以檢測任何與隧穿電子耦合的激發(fā)態(tài)，有望成為量子材料研究領(lǐng)域的一款變革性工具。