低温量子显微镜显示石墨烯“奇异行为”

科技日报北京4月23日电 （记者张佳欣）23日发表于《自然》杂志的一项新研究中，以色列魏茨曼科学研究所团队推出了一款用于探索量子现象的强大工具——低温量子扭转显微镜（QTM）。利用这款开创性仪器，他们首次观察到了电子与石墨烯扭曲层中一种被称为“相子”的奇异原子振动之间的相互作用。这些发现为理解当石墨烯层旋转至“魔角”时出现的神秘超导性和奇异金属性提供了新线索。

材料的基本性质主要取决于其底层粒子，因此，电子的流动决定了电阻，而被称为声子的原子晶格振动则驱动了热传导。然而，当电子与声子耦合时，可能会产生新现象。最引人入胜的现象是，这种耦合使声子能够有效地将电子结合成对，从而产生超导性。尽管这一过程至关重要，但针对单个声子模式的电子－声子耦合测量仍然是一项艰巨的挑战。

现在，该团队研发出了一款可在低温下工作的QTM，并发现它还能以前所未有的精度对声子进行成像。新型QTM采用了一种非弹性过程，即电子在两个原子级薄层之间隧穿时会发射出一个声子，该声子的能量和动量可通过调整层间的电压偏置和扭曲角度来控制。通过系统地调整这些参数，他们能够绘制出被研究材料的完整声子能谱。

将这项新技术应用于扭曲双层石墨烯后发现，一种被称为相子的独特低能振动与电子耦合，可随石墨烯层接近魔角而增强。这种行为以前从未被观察到，表明相子可能在观察到的奇异金属行为和超导性中扮演着关键角色。

团队表示，这款显微镜还可以检测任何与隧穿电子耦合的激发态，有望成为量子材料研究领域的一款变革性工具。