北京大學(xué) 王樹峰 編譯自Susan Curtis. Physics，November 5，2024

本文選自《物理》2025年第2期

一種新型的“轉(zhuǎn)角”顯微鏡可能會為研究層狀二維材料的奇異電子行為提供新的手段。

將兩層石墨烯疊在一起，并在它們之間保持一個“轉(zhuǎn)角”，就會形成一種表現(xiàn)出一系列新奇電子現(xiàn)象的材料，例如具有無阻抗電流的超導(dǎo)體和具有特殊電流傳導(dǎo)方式的奇異金屬。物理學(xué)家只需改變轉(zhuǎn)角石墨烯(TBG)雙層之間的相對取向，就可以探索這個內(nèi)涵豐富的電子學(xué)世界，從而創(chuàng)造出一個全新的研究領(lǐng)域，稱為轉(zhuǎn)角電子學(xué)。

這種新奇的現(xiàn)象在2018年首次被觀察到，它被認(rèn)為源于電子與聲子的強耦合(聲子是晶格的量子化振動運動)。然而，由于缺乏直接探測轉(zhuǎn)角石墨烯中聲子的實驗工具，理解這種相互作用的努力一直難有進展。最近，一個國際研究團隊提出了一種新型顯微鏡，展示了一種研究轉(zhuǎn)角石墨烯和其他轉(zhuǎn)角二維晶格(統(tǒng)稱為莫爾系統(tǒng))中電子—聲子耦合的方法。這類研究可能有助于揭示轉(zhuǎn)角石墨烯中超導(dǎo)性的起源，同時也為開發(fā)諸如超導(dǎo)開關(guān)等新型器件提供指導(dǎo)。

量子轉(zhuǎn)角顯微鏡使電子能夠在二維材料的相鄰層之間的多個位置同時隧穿

這項研究關(guān)注的是一種名為量子轉(zhuǎn)角顯微鏡(QTM)的裝置，該裝置于2023年由以色列魏茨曼科學(xué)研究所的Shalal Ilani領(lǐng)導(dǎo)的團隊首次展示。電子具有波動性，這種量子特性使它能夠同時出現(xiàn)在多個位置。與其他在單一位置檢測電子的成像工具不同，QTM探測電子的這種波動行為。

這種裝置基于原子力顯微鏡，但尖銳的探針被替換為頂端平坦的金字塔形探針，探針表面覆蓋了一層二維材料(如石墨烯)，樣品則是放置在基板上的同種或異種二維材料。當(dāng)探針表面與樣品接觸時，它會形成一個平坦的界面，電子可以通過多條不同的路徑在其間隧穿。Ilani解釋說：“通過為電子提供多條進入樣品的路徑，盡管不知道它實際穿過的位置，但我們讓電子保持了其脆弱的波動性質(zhì)。”而且，像其他波一樣，電子可以產(chǎn)生干涉效應(yīng)。

在QTM中，干涉的結(jié)果是隧穿只發(fā)生在探針和樣品中的電子波函數(shù)具有相同動量時。它由依賴于兩種晶體結(jié)構(gòu)之間角度的特定電子態(tài)來滿足，這個角度可以通過旋轉(zhuǎn)QTM中的探針進行改變。在他們的實驗中，研究人員可以連續(xù)地改變轉(zhuǎn)角角度以及探針和樣品之間施加的偏壓，同時記錄隧穿電流的變化。這些測量允許電子態(tài)的能量作為其動量的函數(shù)被繪制出來，從而展現(xiàn)出材料的關(guān)鍵量子特性之一：能帶結(jié)構(gòu)。

初步實驗表明，在室溫下，QTM可以用來可視化單層石墨烯和轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中的電子能帶，甚至可以研究在施加大局部壓力時轉(zhuǎn)角石墨烯中低能帶的逐漸平坦化。在最新的研究中，由柏林自由大學(xué)Felix van Oppen領(lǐng)導(dǎo)的理論團隊與Ilani合作，探索了在低溫下QTM如何用于研究轉(zhuǎn)角石墨烯和其他莫爾系統(tǒng)中電子與聲子的耦合。

他們的想法是將偏壓保持在電子可以直接從探針?biāo)泶┑綐悠返拈撝狄韵隆Ｔ谶@種狀態(tài)下，隧穿只能在通過聲子提供額外的動量時發(fā)生。這些聲子與雙層系統(tǒng)中存在的各種振動模式相關(guān)，每種模式都有其特征能量。這種技術(shù)將揭示聲子能量的譜，再通過理論框架提供的方法來分解不同過程對聲子譜的貢獻。他們的分析表明，應(yīng)該可以量化每種聲子模式的電子—聲子耦合強度，而這對于其他表征技術(shù)來說則非常具有挑戰(zhàn)性。

“這對于理解聲子在轉(zhuǎn)角雙層石墨烯等莫爾系統(tǒng)中的物理過程至關(guān)重要”，哥倫比亞大學(xué)的理論學(xué)家Hector Ochoa評論道。他認(rèn)為這項工作中開發(fā)的理論模型，不僅對于從QTM測量中提取有用的數(shù)據(jù)很有價值，而且為物理學(xué)家思考轉(zhuǎn)角二維晶格中的聲子構(gòu)建了框架。

初步實驗表明，低溫量子轉(zhuǎn)角顯微鏡可以用來探測轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中的電子—聲子耦合機制。這些早期發(fā)現(xiàn)已經(jīng)為與轉(zhuǎn)角石墨烯中的超導(dǎo)和奇異金屬行為相關(guān)的耦合過程提供了見解，并且這些新的實驗和理論技術(shù)可能會用來研究其他莫爾系統(tǒng)。

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