封面图：量子扭曲显微镜的工作示意图。电子以量子相干方式从探针（顶部的倒金字塔）同时在多个位置（绿色垂直线）隧道传输到样品（底部）
图源：魏茨曼科学研究所
撰稿：Jack（西湖大学 博士生）
近日，以色列科学家Shahal Ilani及其团队在Nature期刊上发表了一篇题为“The quantum twisting miscroscope”的论文，这篇论文介绍了一种全新的扫描探针显微镜，能够在原子尺度上研究二维材料之间的干涉现象，探究其引人入胜的物理学。这项技术被誉为“有史以来最强大的显微镜之一”，为科学家们进一步研究量子材料奠定了坚实的基础。
图源：Nature 614, 628-629 (2023)
目前，扫描探针显微镜已经在我们理解电子现象方面发挥了重要的作用，但是它只能在一个点上探测材料的性质。而量子扭曲显微镜可以通过探测不同路径中的电子隧穿干涉来实现动量分辨测量，并实时调整二维材料层叠的扭曲角度，这些系统具有令人着迷的物理学特性。
量子扭曲显微镜的核心是一个旋转的金字塔状的二维材料，它位于原子力显微镜悬臂上。当它与样品接触时，悬臂上的二维材料会自动与样品对齐，形成一个干净的界面。
视频：量子扭曲显微镜运行机制：电子以波包（红色）的形式从探针（顶部的倒金字塔）隧穿到样品（底部）波包（红色）的形式从探针（顶部的倒金字塔）隧穿到样品（底部）
量子扭曲显微镜有两种不同的使用方式：一种方式是研究界面性质随扭曲角度变化的情况，这对于研究扭曲二维材料中出现的许多有趣现象具有很大的意义。另一种方式是探测样品的能带结构，这是由于动量分辨测量的特性所实现的。
量子扭曲显微镜为我们提供了观察扭曲二维材料这种“超级材料”中电子行为的全新方式。由于其独特的探测机制和材料结构，量子扭曲显微镜的使用可以带来许多前所未有的优势和挑战。研究者们已经成功地应用了量子扭曲显微镜来探索许多材料和物理现象，包括石墨烯的双层扭曲、石墨烯与过渡金属硫属化物的叠层、石墨烯/硼氮化硅异质结等。
其中，石墨烯的双层扭曲是一个非常有趣的研究方向。在2018年，人们发现在两层石墨烯扭曲角度为一定值时，这个系统会表现出一些神奇的物理现象，如超导和量子霍尔效应。但是，由于其复杂的结构和行为，这些现象的物理机制仍然没有被完全理解。而量子扭曲显微镜为我们提供了一个能够在原子尺度上实现高分辨率扫描的平台，以探索这些材料的性质和行为。
除了在石墨烯双层扭曲中的应用，量子扭曲显微镜还可以用于其他领域的研究，如在半导体器件中的表面形貌、纳米粒子的性质、生物分子的组装等。这些研究不仅能够帮助我们更好地理解材料的性质和行为，而且有望为各个领域的技术革新和发展提供支持。
对于科研工作者而言，量子扭曲显微镜为研究纠缠态、多体效应、磁性和超导性等领域的基础研究提供了一种强大工具。除此之外，它也能应用于物理学和材料科学的应用领域，例如在信息存储和处理、新型传感器和电子器件等方面。
与传统的扫描探针显微镜相比，量子扭曲显微镜可同时进行多个方面的研究，包括探测材料表面的局部性质、探测量子材料的磁性和电性、以及观察自旋构型等等。
图2：量子扭曲显微镜基于独特的范德华尖端，可与范德华样品形成一个可扭曲和具有高角度和位置精度的二维界面，为电子在样品中隧穿提供多种相干干涉路径
图源：Nature 614, 682–687 (2023).
然而，目前的量子扭曲显微镜也存在一些挑战。例如，量子扭曲显微镜需要高度精细的样品制备和仪器校准，以确保准确的测量结果。此外，量子扭曲显微镜的成像速度相对较慢，而且目前只能对单个点进行测量，因此需要更多的时间和努力来实现对整个材料的研究。
量子扭曲显微镜是一种非常有前景的技术，为我们提供了一个在原子尺度上探索材料性质和行为的新平台。通过使用这种新型的扫描探针，我们有望进一步深入了解材料的基本特性，并开发出更先进的材料和器件，为未来的技术和应用奠定基础。
图3：利用量子扭曲显微镜对扭曲双层石墨烯的能带成像
图源：Nature 614, 682–687 (2023).
量子扭曲显微镜的出现为物理学和材料科学领域提供了一种更加便捷、高效的实验方法。它的出现，将会对整个凝聚态物理领域产生深远的影响，为我们带来更多前沿的研究成果。
不仅如此，量子扭曲显微镜还具备非常强的可控性，可以与外部磁场和低温测量相兼容，并且探头可以靠近样品以施加压力，进入强相互作用的新阶段。这意味着，科学家们可以利用这些控制手段进行更加精细的实验设计，以研究各种材料在不同压力和磁场条件下的物理性质，甚至可能在此基础上探索出新的物理现象。
未来，科学家们还可以尝试使用量子扭曲显微镜研究更多类型的叠层材料，并结合其它实验手段进行探究，以进一步推动材料科学领域的研究。例如，研究人员可以使用量子扭曲显微镜探测不同压力下材料的电学性质，或是在磁场中探测材料的磁性质。由于量子扭曲显微镜具有较高的灵敏度和分辨率，这些研究都有望取得更加精确的结果，进一步推动材料科学领域的发展。
总的来说，量子扭曲显微镜是一种新型的扫描探针显微镜，具有动量分辨特性和扭曲角度可控性。该仪器的问世，将使科学家们能够更加精细地研究各种叠层材料的物理性质，探索出新的物理现象，并推动材料科学领域的发展。相信在不久的将来，量子扭曲显微镜将成为材料科学领域的一项重要工具，为我们揭示更多奥秘。
论文信息
Inbar, A., Birkbeck, J., Xiao, J. et al. The quantum twisting microscope. Nature 614, 682–687 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05685-y
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