扭曲的扫描探针观察电子的波状行为

当。。。的时候 扫描隧道显微镜 于 1980 年代首次亮相，其结果是纳米技术和量子设备研究的爆炸式增长。 从那时起，其他类型的扫描探针显微镜相继问世，它们共同帮助研究人员充实了电子传输理论。 但这些技术在一个点探测电子，从而将它们作为粒子观察，只能间接地看到它们的波动性。 现在，以色列魏茨曼科学研究所的研究人员建造了一种新的扫描探针——量子扭转显微镜——可以直接检测电子的量子波特征。

“它实际上是一个扫描探针尖端，在其顶点有一个干涉仪，”说 沙哈伊拉尼，团队负责人。 研究人员用超薄石墨、六方氮化硼和范德瓦尔斯晶体（如石墨烯）覆盖了一个扫描探针尖端，它们可以像帐篷一样方便地翻转在尖端上，顶部平坦，直径约 200 纳米。 平端是设备干涉仪功能的关键。 电子波函数可以同时在多个点穿隧，而不是样品中的一点和尖端之间的电子隧穿。

“非常令人惊讶的是，我们发现平端自然旋转，因此它始终与样品平行，”说 约翰伯克贝克，描述这项工作的论文的通讯作者。 这是幸运的，因为任何倾斜都会改变隧道距离，从而改变从高原一侧到另一侧的强度。 Birkbeck 说：“正是这些隧道路径的干扰，正如在测量电流中所识别的那样，赋予了该设备独特的量子波探测功能。”

双缝实验

这种干涉类似于在有两个狭缝的屏幕上发射电子的效果，就像著名的杨氏双缝实验一样， 埃雷兹伯格 解释。 伯格与 艾迪斯特恩, 严炳海 和 尤瓦尔奥勒格 主导了对新仪器的理论理解。

如果你测量粒子穿过哪个狭缝——就像其他扫描探针技术的测量一样——波的行为就会丢失，你所看到的只是粒子。 但是，如果让粒子在其交叉位置未被检测到的情况下通过，则两条可用路径会产生建设性和破坏性干涉的模式，就像波浪从并排落入池塘的两颗鹅卵石中激起涟漪一样。

“由于电子只能在其动量在探针和样品之间匹配的地方隧道化，因此该设备直接测量该参数，这是解释集体电子行为的理论的关键，”Berg 说。

事实上，利用可用隧穿路径的干扰来测量电子动量的想法可以追溯到 1990 年代加州理工学院的吉姆·爱森斯坦. 然而，得益于此后的两项爆炸性发展，魏茨曼研究人员通过一些关键创新将事情推进了几个档次。 这些是 石墨烯的分离 促进对类似原子级薄范德瓦尔斯晶体的研究； 以及随后的 实验观察到的扭曲效果 在层状范德瓦尔斯材料的方向上。

当扭曲分层时，像石墨烯这样的材料会形成莫尔格子，以纺织品的名字命名，其中织物的网眼稍微错位并且对你的眼睛有有趣的效果。 这些莫尔二维材料中的电子受到这种额外的人造莫尔晶格的电势的影响，其周期由扭转角决定。 因此，使用量子扭转显微镜上的压电旋转器扭转两层范德瓦尔斯晶体之间的相对角度，可以测量比以前使用的磁场更广泛的动量范围，并探索许多其他电子现象也是如此。 简洁的设备还可以轻松研究一系列不同的范德瓦尔斯晶体和其他量子材料。

从问题到解决方案

随着扭曲效应的发现，人们热衷于对不同扭曲角度的材料进行实验。 然而，他们必须经历为每个扭转角重新生产每个设备的艰苦过程。 虽然可以通过角度扭曲是单个设备，但扭曲往往会锁定在某些角度，基本上实验游戏结束了。 在量子扭曲显微镜中，尖端上的原子级薄材料沿尖端两侧和末端具有很强的粘附力，因此净力很容易超过探针和样品的两个范德华晶体层之间的吸引力，即使对于这些最具吸引力的扭曲角度。 魏茨曼研究人员最初着手解决的正是这些制造挑战。

发现表现得像高温超导体的“魔角石墨烯”是 物理世界 2018 年度突破

扭曲石墨烯先驱 科里·迪恩（Cory Dean），谁没有参与这项研究，描述了对扭曲层系统的一些最详细的理解是如何来自扫描探针的。 这样，每个具有独特但不受控制的扭曲的区域都可以被识别并视为其自己的设备。 “在 Weizmann 的方法中，他们将这一步迈向了一个真正有创意的新方向，将扭转角控制和光谱分析集成到同一平台中，”哥伦比亚大学的迪恩说。 “这个想法，即设备也是仪器，是凝聚态系统中罕见且令人兴奋的组合。” 他还强调，该设备不仅限于双绞线层系统。

Ilani 谈到他的团队的发明时说：“老实说，每周我们都会发现一种可以使用量子扭曲显微镜进行的新型测量——这是一种非常通用的工具”。 例如，研究人员还可以向下压尖端以探索压力的影响，压力会减小范德华力层之间的距离。 “在二维材料上进行了压力实验，也在魔角石墨烯的背景下，”Birkbeck 说，他指的是油室中活塞的实验，这些活塞被置于低温下，每个压力值都需要从头开始重置。 “我们已经用量子扭曲显微镜达到了类似的压力，但现在能够快速、连续地调整它 原位设立的区域办事处外，我们在美国也开设了办事处，以便我们为当地客户提供更多的支持。“

结果报告于 自然.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/