研究背景

固體中電子是一個(gè)量子力學(xué)物體，最好用擴(kuò)展波函數(shù)來(lái)描述，反映了它在空間位置疊加中的存在。掃描隧道顯微鏡（STM）的發(fā)明極大地改變了在真實(shí)空間中觀(guān)察電子的方式。隨后出現(xiàn)了大量其他掃描探針技術(shù)，可以對(duì)各種電子性能進(jìn)行局部測(cè)量。到目前為止，現(xiàn)有的掃描顯微鏡一次只能在一個(gè)位置探測(cè)電子性能，無(wú)法探測(cè)幾個(gè)隧道軌道的干擾，從而繪制出空間中量子力學(xué)相位的演變圖。因此，需要掃描干涉儀同時(shí)在多個(gè)位置量子相干地探測(cè)電子。

研究成果

魏茲曼科學(xué)研究所J. Birkbeck展示了一種概念上的新型掃描探針顯微鏡——量子扭轉(zhuǎn)顯微鏡（QTM），能夠在其尖端進(jìn)行局部干涉實(shí)驗(yàn)。QTM基于獨(dú)特的范德瓦爾斯（vdW）尖端，與vdW樣品接觸形成二維界面，為電子隧穿進(jìn)入樣品提供了大量相干干涉路徑。隨著尖端和樣品之間的掃描扭曲角的增加，該顯微鏡沿著動(dòng)量空間中的一條線(xiàn)探測(cè)電子，類(lèi)似于掃描隧道顯微鏡沿著真實(shí)空間中的線(xiàn)探測(cè)電子。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，研究者證實(shí)了尖端處的室溫量子相干，研究了扭曲雙層石墨烯的扭曲角演變，直接對(duì)單層和扭曲雙石墨烯的能帶進(jìn)行了成像；最后，施加大的局部壓力，同時(shí)可視化扭曲雙層石墨烯的低能帶的逐漸變平。QTM為量子材料的新實(shí)驗(yàn)開(kāi)辟了道路。相關(guān)研究工作以“The quantum twisting microscope”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature》上。

研究?jī)?nèi)容

到目前為止，現(xiàn)有的原位扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)基于具有可旋轉(zhuǎn)部件的裝置，該部件由外部機(jī)械裝置（如AFM尖端）推動(dòng)。相比之下，QTM提升了AFM尖端，使其成為扭曲裝置的一個(gè)組成部分，扭曲裝置分為兩部分：一個(gè)位于平坦基板上的標(biāo)準(zhǔn)vdW裝置（圖1a）和一個(gè)在AFM懸臂邊緣特殊設(shè)計(jì)的棱錐上的vdW裝置（圖1b）。使用商用AFM使兩個(gè)部分接觸，并在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持界面上的恒定力（圖1c）。在AFM平臺(tái)上，安裝了一個(gè)壓電轉(zhuǎn)子，頂部裝有X和Y納米定位器。該設(shè)置以0.001°分辨率旋轉(zhuǎn)底部樣品，并將樣品感興趣位置定位在旋轉(zhuǎn)中心。

QTM一個(gè)重要組成部分是尖端設(shè)計(jì)，有助于在頂點(diǎn)形成平坦的vdW平臺(tái)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，用聚焦離子束（FIB）在AFM懸臂上沉積鉑金字塔（高約1.2-1.6?μm）（圖1e）。隨后，使用聚合物膜在金字塔上依次轉(zhuǎn)移石墨、hBN和活性vdW層（如單層石墨烯MLG）。石墨屏蔽了襯底的無(wú)序電位，而hBN起到了隔離作用。所得尖端的AFM圖像（圖1f）顯示，vdW堆疊在金字塔上形成一個(gè)“帳篷”，褶皺向上延伸。在頂點(diǎn)，形成了一個(gè)平坦的平臺(tái)，其角由褶皺決定（圖1g）。

在θ=0o兩層的狄拉克錐在第一布里淵區(qū)的拐角處重疊，θ=21.8o，它們?cè)诘谌祭餃Y區(qū)的拐角處重疊（圖1i）。真實(shí)空間與動(dòng)量空間匹配的相關(guān)性與二維隧道結(jié)的量子相干性密切相關(guān)，在非相干結(jié)中，不同位置的隧穿事件是獨(dú)立的，求和可得到總電流（圖1j，頂部）。在相干結(jié)中，不同位置的隧穿事件相互干擾，產(chǎn)生對(duì)波函數(shù)局部相位敏感的電流（圖1j，底部）。

圖2a顯示了在T=300?K處隧穿電流I與層間偏壓Vb和θ的關(guān)系。θ=0°左右，低偏壓下I隨Vb緩慢增加，然后沿θ-Vb中的曲線(xiàn)X特征急劇增加，在Vb稍高時(shí)會(huì)急劇下降。在更高的偏差（約0.8?V），I再次上升，與Vb成指數(shù)關(guān)系，并且對(duì)于所有θ都是均勻的。在測(cè)量的電導(dǎo)dI/dV（圖2b）中，I急劇下降表現(xiàn)為強(qiáng)烈的負(fù)微分電阻。在二階導(dǎo)數(shù)d2I/dV2中（圖2c）中，除了強(qiáng)彎曲X外，觀(guān)察到了直線(xiàn)X特征，沿著該曲線(xiàn)d2I/dV2在正（負(fù)）偏壓下顯示峰值（凹陷）。

在探測(cè)了MLG的能帶之后，轉(zhuǎn)向TBG。實(shí)驗(yàn)由MLG探針、雙層WSe2屏障和具有2.7°扭曲的TBG組成（圖3a）。在動(dòng)量空間中，TBG迷你布里淵區(qū)的拐角處擁有頂部和底部石墨烯片的狄拉克錐（圖3b）。當(dāng)MLG旋轉(zhuǎn)時(shí)，其狄拉克錐沿動(dòng)量空間中的恒定半徑弧掃描TBG的能帶（圖3b），精確切割Ktop和Kbot，并靠近相鄰小布里淵區(qū)的ΓM點(diǎn)（中心點(diǎn)）。沿著這條弧，TBG理論預(yù)測(cè)在零能量附近顯示“平坦”帶，在較高能量處顯示遠(yuǎn)程帶（圖3c）。

最后，展示了使用AFM施加力來(lái)調(diào)節(jié)QTM中的局部壓力的能力，從而調(diào)節(jié)層間隧穿。圖4a-c繪制了dI2/dV2與θ和Vb的關(guān)系，對(duì)圖3的連接點(diǎn)，壓力為p=0.01、0.4和0.68?GPa（在持續(xù)施壓的情況下進(jìn)行扭轉(zhuǎn)）?？梢钥闯?，隨著p的增加，平坦帶向零Vb收縮，而遠(yuǎn)程帶離得更遠(yuǎn)。如圖4d所示，在更大壓力下，追蹤帶顯示了平坦帶和遠(yuǎn)距離帶對(duì)壓力的相反依賴(lài)性，反映了帶反交叉隨著p的增加而增加，正如層間隧道的增加所預(yù)期的那樣。使用MLG帶將Vb轉(zhuǎn)換為能量偏移（圖4e）表明，平坦帶寬度隨p線(xiàn)性收縮，在p=0.68?GPa處減少17%，這與理論上預(yù)測(cè)6-14%的降幅相比是合理的。

結(jié)論與展望

QTM為兩個(gè)獨(dú)立的研究方向開(kāi)辟了道路：首先，它提供了一種在多種量子材料之間創(chuàng)建高度可控的新界面的新方法。能夠連續(xù)控制這些界面的關(guān)鍵參數(shù)（扭曲角），通常適用于層狀導(dǎo)體、半導(dǎo)體和超導(dǎo)體。第二，它是一種新的掃描顯微鏡，可以直接獲得電子系統(tǒng)的能量動(dòng)量色散。如果被隧穿電子激發(fā)，它可以探測(cè)任何帶電或中性激發(fā)的色散。測(cè)量可在大磁場(chǎng)、由局部柵極控制的可變載流子密度和電位移場(chǎng)、連續(xù)可調(diào)的壓力下進(jìn)行。QTM的橫向掃描能力將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的高空間分辨率（約100?nm）。鑒于該技術(shù)的簡(jiǎn)單性及功能強(qiáng)大，QTM有望成為實(shí)驗(yàn)?zāi)蹜B(tài)物理學(xué)中一個(gè)有價(jià)值的新工具。

文獻(xiàn)鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05685-y.