量子扭转显微镜（QTM），登《Nature》！

研究背景

固体中电子是一个量子力学物体，最好用扩展波函数来描述，反映了它在空间位置叠加中的存在。扫描隧道显微镜（STM）的发明极大地改变了在真实空间中观察电子的方式。随后出现了大量其他扫描探针技术，可以对各种电子性能进行局部测量。到目前为止，现有的扫描显微镜一次只能在一个位置探测电子性能，无法探测几个隧道轨道的干扰，从而绘制出空间中量子力学相位的演变图。因此，需要扫描干涉仪同时在多个位置量子相干地探测电子。

研究成果

魏兹曼科学研究所J. Birkbeck展示了一种概念上的新型扫描探针显微镜——量子扭转显微镜（QTM），能够在其尖端进行局部干涉实验。QTM基于独特的范德瓦尔斯（vdW）尖端，与vdW样品接触形成二维界面，为电子隧穿进入样品提供了大量相干干涉路径。随着尖端和样品之间的扫描扭曲角的增加，该显微镜沿着动量空间中的一条线探测电子，类似于扫描隧道显微镜沿着真实空间中的线探测电子。通过一系列实验，研究者证实了尖端处的室温量子相干，研究了扭曲双层石墨烯的扭曲角演变，直接对单层和扭曲双石墨烯的能带进行了成像；最后，施加大的局部压力，同时可视化扭曲双层石墨烯的低能带的逐渐变平。QTM为量子材料的新实验开辟了道路。相关研究工作以“The quantum twisting microscope”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

研究内容

到目前为止，现有的原位扭转实验基于具有可旋转部件的装置，该部件由外部机械装置（如AFM尖端）推动。相比之下，QTM提升了AFM尖端，使其成为扭曲装置的一个组成部分，扭曲装置分为两部分：一个位于平坦基板上的标准vdW装置（图1a）和一个在AFM悬臂边缘特殊设计的棱锥上的vdW装置（图1b）。使用商用AFM使两个部分接触，并在整个实验过程中保持界面上的恒定力（图1c）。在AFM平台上，安装了一个压电转子，顶部装有X和Y纳米定位器。该设置以0.001°分辨率旋转底部样品，并将样品感兴趣位置定位在旋转中心。

QTM一个重要组成部分是尖端设计，有助于在顶点形成平坦的vdW平台。为了实现这一点，用聚焦离子束（FIB）在AFM悬臂上沉积铂金字塔（高约1.2-1.6 μm）（图1e）。随后，使用聚合物膜在金字塔上依次转移石墨、hBN和活性vdW层（如单层石墨烯MLG）。石墨屏蔽了衬底的无序电位，而hBN起到了隔离作用。所得尖端的AFM图像（图1f）显示，vdW堆叠在金字塔上形成一个“帐篷”，褶皱向上延伸。在顶点，形成了一个平坦的平台，其角由褶皱决定（图1g）。

在θ=0º两层的狄拉克锥在第一布里渊区的拐角处重叠，θ=21.8º，它们在第三布里渊区的拐角处重叠（图1i）。真实空间与动量空间匹配的相关性与二维隧道结的量子相干性密切相关，在非相干结中，不同位置的隧穿事件是独立的，求和可得到总电流（图1j，顶部）。在相干结中，不同位置的隧穿事件相互干扰，产生对波函数局部相位敏感的电流（图1j，底部）。

图2a显示了在T=300 K处隧穿电流I与层间偏压Vb和θ的关系。θ=0°左右，低偏压下I随Vb缓慢增加，然后沿θ-Vb中的曲线X特征急剧增加，在Vb稍高时会急剧下降。在更高的偏差（约0.8 V），I再次上升，与Vb成指数关系，并且对于所有θ都是均匀的。在测量的电导dI/dV（图2b）中，I急剧下降表现为强烈的负微分电阻。在二阶导数d2I/dV2中（图2c）中，除了强弯曲X外，观察到了直线X特征，沿着该曲线d2I/dV2在正（负）偏压下显示峰值（凹陷）。

在探测了MLG的能带之后，转向TBG。实验由MLG探针、双层WSe2屏障和具有2.7°扭曲的TBG组成（图3a）。在动量空间中，TBG迷你布里渊区的拐角处拥有顶部和底部石墨烯片的狄拉克锥（图3b）。当MLG旋转时，其狄拉克锥沿动量空间中的恒定半径弧扫描TBG的能带（图3b），精确切割Ktop和Kbot，并靠近相邻小布里渊区的ΓM点（中心点）。沿着这条弧，TBG理论预测在零能量附近显示“平坦”带，在较高能量处显示远程带（图3c）。

最后，展示了使用AFM施加力来调节QTM中的局部压力的能力，从而调节层间隧穿。图4a-c绘制了dI2/dV2与θ和Vb的关系，对图3的连接点，压力为p=0.01、0.4和0.68 GPa（在持续施压的情况下进行扭转）。可以看出，随着p的增加，平坦带向零Vb收缩，而远程带离得更远。如图4d所示，在更大压力下，追踪带显示了平坦带和远距离带对压力的相反依赖性，反映了带反交叉随着p的增加而增加，正如层间隧道的增加所预期的那样。使用MLG带将Vb转换为能量偏移（图4e）表明，平坦带宽度随p线性收缩，在p=0.68 GPa处减少17%，这与理论上预测6-14%的降幅相比是合理的。

结论与展望

QTM为两个独立的研究方向开辟了道路：首先，它提供了一种在多种量子材料之间创建高度可控的新界面的新方法。能够连续控制这些界面的关键参数（扭曲角），通常适用于层状导体、半导体和超导体。第二，它是一种新的扫描显微镜，可以直接获得电子系统的能量动量色散。如果被隧穿电子激发，它可以探测任何带电或中性激发的色散。测量可在大磁场、由局部栅极控制的可变载流子密度和电位移场、连续可调的压力下进行。QTM的横向扫描能力将进一步实现电子设备的高空间分辨率（约100 nm）。鉴于该技术的简单性及功能强大，QTM有望成为实验凝聚态物理学中一个有价值的新工具。

文献链接：

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