QTM включает в себя "скручивание", или вращение, двух атомарно тонких слоев материала относительно друг друга. В последние годы такое скручивание стало основным источником открытий. Все началось с открытия того, что размещение двух слоев графена, кристаллических листов углерода толщиной в один атом, один поверх другого с небольшим относительным углом скручивания, приводит к получению "сэндвича" с неожиданными новыми свойствами. Угол закручивания оказался наиболее важным параметром для управления поведением электронов: изменение его всего на одну десятую градуса могло превратить материал из экзотического сверхпроводника в нетрадиционный изолятор. Но каким бы критичным он ни был, этот параметр также труднее всего контролировать в экспериментах. По большому счету, скручивание двух слоев под новым углом требует создания нового "сэндвича" с нуля, а это очень долгий и утомительный процесс.

"Нашей первоначальной мотивацией было решить эту проблему путем создания машины, которая могла бы непрерывно скручивать любые два материала относительно друг друга, легко производя бесконечный ассортимент новых материалов", - говорит руководитель группы проф. Шахал Илани с факультета физики конденсированных сред Вейцмана. "Однако, создавая эту машину, мы обнаружили, что ее также можно превратить в очень мощный микроскоп, способный видеть квантовые электронные волны способами, которые раньше были невообразимы".

Создание квантовой картины

Фотографии долгое время играли центральную роль в научных открытиях. Световые микроскопы и телескопы обычно предоставляют изображения, которые позволяют ученым получить более глубокое понимание биологических и астрофизических систем. С другой стороны, фотографирование электронов внутри материалов в течение многих лет было общеизвестно трудным делом из-за их небольших размеров. Это изменилось около 40 лет назад с изобретением сканирующего туннельного микроскопа, который принес его разработчикам Нобелевскую премию по физике 1986 года. Этот микроскоп использует атомарно острую иглу для сканирования поверхности материала, измерения электрического тока и постепенного построения изображения распределения электронов в образце.

"С момента этого изобретения было разработано множество различных сканирующих зондов, каждый из которых измеряет различные электронные свойства, но все они измеряют эти свойства в одном месте одновременно. Таким образом, они в основном рассматривают электроны как частицы и могут лишь косвенно узнать об их волновой природе", - объясняет профессор. Ади Стерн из Института Вейцмана, которая принимала участие в исследовании вместе с тремя другими физиками-теоретиками с того же факультета: проф. Бинхай Ян, Юваль Орег и Эрез Берг. "Как оказалось, созданный нами инструмент может непосредственно визуализировать квантовые электронные волны, что дает нам возможность разгадать квантовые танцы, которые они исполняют внутри материала", - говорит Стерн.

Обнаружение электрона сразу в нескольких местах

"Хитрость для наблюдения квантовых волн заключается в том, чтобы обнаружить один и тот же электрон в разных местах в одно и то же время", - говорит Алон Инбар, ведущий автор статьи. "Измерение концептуально аналогично знаменитому эксперименту с двумя щелями, который был использован столетие назад, чтобы впервые доказать, что электроны в квантовой механике имеют волновую природу", - добавляет доктор Джон Биркбек, другой ведущий автор. "Единственная разница в том, что мы проводим такой эксперимент на кончике нашего сканирующего микроскопа".

Чтобы достичь этого, исследователи заменили атомарно острый наконечник сканирующего туннельного микроскопа наконечником, который содержит плоский слой квантового материала, такого как одиночный слой графена. Когда этот слой приводится в контакт с поверхностью интересующего образца, он образует двумерную границу раздела, через которую электроны могут туннелировать во многих различных местах. Квантово-механически они туннелируют во всех местах одновременно, и события туннелирования в разных местах интерферируют друг с другом. Эта интерференция позволяет электрону туннелировать только в том случае, если его волновые функции по обе стороны границы раздела точно совпадают. "Чтобы увидеть квантовый электрон, мы должны быть осторожными", - говорит Илани. "Если мы не зададим ему грубый вопрос "Где ты?", а вместо этого предоставим ему несколько маршрутов для пересечения с нашим детектором без того, чтобы мы знали, где он на самом деле пересек, мы позволим ему сохранить свою хрупкую волнообразную природу".

Поворот и туннель

Как правило, электронные волны в наконечнике и образце распространяются в разных направлениях и поэтому не совпадают. QTM использует свою возможность скручивания, чтобы определить угол, под которым происходит согласование: непрерывно поворачивая наконечник относительно образца, инструмент заставляет их соответствующие волновые функции также скручиваться относительно друг друга. Как только эти волновые функции совпадают по обе стороны интерфейса, может произойти туннелирование. Таким образом, скручивание позволяет QTM отображать, как электронная волновая функция зависит от импульса, аналогично тому, как боковые перемещения наконечника позволяют отображать его зависимость от положения. Простое знание того, под какими углами электроны пересекают границу раздела, дает исследователям большой объем информации об исследуемом материале. Таким образом, они могут узнать о коллективной организации электронов внутри образца, их скорости, распределении энергии, характере интерференции и даже взаимодействии различных волн друг с другом.

Новый взгляд на квантовые материалы

"Наш микроскоп даст ученым новый вид "линзы" для наблюдения и измерения свойств квантовых материалов", - говорит Цзивэнь Сяо, другой ведущий автор.

Команда Вейцмана уже применила свой микроскоп для изучения свойств нескольких ключевых квантовых материалов при комнатной температуре и теперь готовится к проведению новых экспериментов при температурах в несколько кельвинов, где, как известно, происходят некоторые из самых захватывающих квантово-механических эффектов.

Столь глубокое проникновение в квантовый мир может помочь раскрыть фундаментальные истины о природе. В будущем это также может оказать огромное влияние на новые технологии. QTM предоставит исследователям доступ к беспрецедентному спектру новых квантовых интерфейсов, а также к новым "глазам" для обнаружения квантовых явлений внутри них.