低温量子顯微鏡顯示石墨烯“奇異行為”

科技日報北京4月23日電 （記者張佳欣）23日發表於《自然》雜誌的一項新研究中，以色列魏茨曼科學研究所團隊推出了一款用於探索量子現象的強大工具——低温量子扭轉顯微鏡（QTM）。利用這款開創性儀器，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。這些發現為理解當石墨烯層旋轉至“魔角”時出現的神秘超導性和奇異金屬性提供了新線索。

材料的基本性質主要取決於其底層粒子，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動了熱傳導。然而，當電子與聲子耦合時，可能會產生新現象。最引人入勝的現象是，這種耦合使聲子能夠有效地將電子結合成對，從而產生超導性。儘管這一過程至關重要，但針對單個聲子模式的電子－聲子耦合測量仍然是一項艱鉅的挑戰。

現在，該團隊研發出了一款可在低温下工作的QTM，並發現它還能以前所未有的精度對聲子進行成像。新型QTM採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射出一個聲子，該聲子的能量和動量可通過調整層間的電壓偏置和扭曲角度來控制。通過系統地調整這些參數，他們能夠繪製出被研究材料的完整聲子能譜。

將這項新技術應用於扭曲雙層石墨烯後發現，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。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性中扮演着關鍵角色。

團隊表示，這款顯微鏡還可以檢測任何與隧穿電子耦合的激發態，有望成為量子材料研究領域的一款變革性工具。