量子扭曲显微镜：量子材料的新透镜

量子世界的一个引人注目的方面是，粒子，比如电子，也是波，这意味着它同时存在于许多地方。在今天发表在《自然》杂志上的一项新研究中，魏茨曼科学研究所的研究人员利用这一特性开发了一种新型工具——量子扭曲显微镜(QTM)，它可以创造新的量子材料，同时凝视其电子最基本的量子性质。

该研究的结果可用于创建具有前所未有的功能的电子材料。

QTM涉及两个原子薄的材料层彼此之间的“扭曲”或旋转。近年来，这种扭曲已成为发现的主要来源。它始于发现将两层石墨烯，一个原子厚的碳结晶片，一个放在另一个上面，具有轻微的相对扭转角，导致具有意想不到的新性质的“三明治”。

扭转角被证明是控制电子行为的最关键参数：只需改变十分之一度，就可以将材料从奇异的超导体转变为非常规绝缘体。但尽管至关重要，但这个参数也是实验中最难控制的。总的来说，将两层扭曲到一个新的角度需要从头开始构建一个新的“三明治”，这个过程非常漫长而乏味。

“我们最初的动机是通过建造一台可以连续扭曲任何两种材料的机器来解决这个问题，很容易生产出无限种类的新型材料，”魏茨曼凝聚态物理系的团队负责人Shahal Ilani教授说。“然而，在建造这台机器时，我们发现它也可以变成一个非常强大的显微镜，能够以以前无法想象的方式看到量子电子波。

创建量子图片

长期以来，图片在科学发现中发挥着核心作用。光学显微镜和望远镜通常提供图像，使科学家能够更深入地了解生物和天体物理系统。另一方面，由于涉及的小尺寸，多年来拍摄材料内部的电子照片是出了名的困难。

大约40年前，随着扫描隧道显微镜的发明，这种情况发生了变化，其开发人员获得了1986年诺贝尔物理学奖。该显微镜使用原子锋利的针扫描材料表面，测量电流并逐渐建立样品中电子分布的图像。

“自本发明以来，已经开发了许多不同的扫描探头，每种探头测量不同的电子特性，但它们一次在一个位置测量这些特性。因此，他们大多将电子视为粒子，只能间接了解它们的波性质，“魏茨曼研究所的Ady Stern教授解释说，他与来自同一系的其他三位理论物理学家一起参加了这项研究：教授。严冰海、尤瓦尔·奥雷格和埃雷兹·伯格。

“事实证明，我们构建的工具可以直接可视化量子电子波，为我们提供了一种解开它们在材料内部进行的量子舞蹈的方法，”斯特恩说。

同时在多个地方发现电子

“看到量子波的诀窍是同时在不同位置发现相同的电子，”该论文的第一作者Alon Inbar说。“测量在概念上类似于著名的双缝实验，该实验在一个世纪前首次用于证明量子力学中的电子具有波的性质，”另一位主要作者John Birkbeck博士补充道。“唯一的区别是我们在扫描显微镜的尖端进行这样的实验。

为了实现这一目标，研究人员用包含量子材料平坦层(例如单层石墨烯)的尖端替换了扫描隧道显微镜的原子锋利尖端。当该层与感兴趣的样品表面接触时，它会形成一个二维界面，电子可以在许多不同的位置穿过该界面。

在量子力学上，它们同时在所有位置进行隧道，并且不同位置的隧道事件相互干扰。这种干涉允许电子只有在界面两侧的波函数完全匹配时才隧道。“要看到量子电子，我们必须温和，”伊拉尼说。“如果我们不问它'你在哪里?'这个粗鲁的问题，而是为它提供多条路线进入我们的探测器，而我们不知道它实际穿越的地方，我们就允许它保持其脆弱的波状性质。

扭曲和隧道

通常，吸头和样品中的电子波沿不同方向传播，因此不匹配。QTM 利用其扭曲功能来找到匹配发生的角度：通过相对于样品连续扭曲尖端，该工具使它们相应的波函数也相互扭曲。一旦这些波形函数在接口的两侧匹配，就会发生隧道。

因此，扭曲允许QTM绘制电子波函数如何依赖于动量，类似于尖端的横向平移能够映射其对位置的依赖性的方式。

仅仅知道电子以什么角度穿过界面，就可以为研究人员提供有关探测材料的大量信息。通过这种方式，他们可以了解样品中电子的集体组织，它们的速度，能量分布，干涉模式，甚至不同波之间的相互作用。

量子材料的新转折

“我们的显微镜将为科学家提供一种新的'透镜'，用于观察和测量量子材料的性质，”另一位主要作者Jiewen Xiao说。

魏茨曼团队已经将他们的显微镜应用于研究室温下几种关键量子材料的性质，现在正准备在几个开尔文的温度下进行新的实验，已知会发生一些最令人兴奋的量子力学效应。

如此深入地窥视量子世界可以帮助揭示关于自然的基本真相。在未来，它还可能对新兴技术产生巨大影响。QTM将为研究人员提供前所未有的新量子接口频谱，以及发现其中量子现象的新“眼睛”。

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