Abbildung des sub‑moire-Potenzials mit einem atomaren Einzel‑Elektronen‑Transistor

Ein Blick in die unsichtbare Landschaft der Elektronen

Jedes elektronische Gerät, von Smartphones bis zu Quantencomputern, hängt davon ab, wie sich Elektronen durch Materialien bewegen. Doch die winzigen „Landschaften“ elektrischer Potenziale, die diese Elektronen leiten, waren bislang größtenteils unsichtbar. Diese Arbeit zeigt erstmals ein direktes Abbild einer solchen Landschaft in einem maßgeschneiderten Material aus gestapelten atomdünnen Kristallen. Dabei offenbaren sich Überraschungen, die bestehende Theorien in Frage stellen, und es eröffnet sich ein neuer Weg, einige der seltsamsten bekannten elektronischen Zustände sichtbar zu machen.

Designer‑Muster in atomdünnen Materialien

Wenn zwei ultradünne Kristalle, etwa Graphen und hexagonales Bornitrid (hBN), mit einer leichten Verdrehung oder Fehlanpassung gestapelt werden, entsteht ein größeres, sich wiederholendes Muster, das als moiré‑Gitter bezeichnet wird. Dieses Muster wirkt wie ein künstlicher Kristall für Elektronen und erzeugt neue Verhaltensweisen wie ungewöhnliche Magnetismusphänomene und exotische Varianten des quantisierten Hall‑Effekts. Im Graphen/hBN‑System steht dieses gezielte Muster im Zentrum vieler Durchbrüche in der sogenannten „Twistronics“. Bislang konnten Forschende das zugrunde liegende elektrostatische Potenzial jedoch nur indirekt aus Transport‑ oder optischen Messungen ableiten. Die tatsächliche Form und Stärke des moiré‑Potenzials — die Hügel und Täler, die Elektronen erleben — war nie direkt sichtbar.

Ein einzelnes Atom als hochempfindliches Messgerät

Die Autoren führen einen „atomaren Einzel‑Elektronen‑Transistor“ (atomarer SET) ein, eine neue Art von Rastersonde, die einen einzelnen atomaren Defekt als hochempfindlichen Detektor des lokalen elektrischen Potenzials nutzt. Der Defekt sitzt in einer dünnen Schicht eines Halbleiters (WSe₂) und verhält sich wie ein Quantenpunkt: Er lässt Elektronen einzeln tunneln, und die Energie, bei der dies geschieht, verschiebt sich als Reaktion auf winzige Änderungen des umgebenden Potenzials. Statt den Defekt über die Probe zu bewegen, kehrt das Team die übliche Geometrie um. Sie montieren das zu untersuchende Material — Graphen ausgerichtet auf hBN — an der Spitze eines sogenannten quantum twisting microscope und fahren es über den fixierten Defekt. Wenn das moiré‑Muster über den Defekt hinwegzieht, „verstellt“ es subtil den Quantenpunkt, und durch die Verfolgung der Verschiebung seines Leitungspeaks kartieren die Forschenden das lokale elektrostatische Potenzial mit Nanometer‑Genauigkeit.

Das moiré‑Gefüge im Realraum abbilden

Mithilfe dieses atomaren SET gewinnt das Team zwei‑ und dreidimensionale Karten des Potenzials innerhalb einer einzelnen moiré‑Zelle. Sie finden, dass selbst bei praktisch nicht zugeführten Zusatz‑Elektronen in das Graphen (Null‑Trägerdichte) das Potenzial stark variiert — um etwa 60 Millivolt von Tal zu Spitze. Dies ist eine beträchtliche Energieskala für Elektronen in einem solchen System. Das Muster weist eine nahezu sechsfache Rotationssymmetrie auf, mit einem zentralen Maximum und zwei nahezu gleichwertigen Minima, die um 60 Grad getrennt sind; dies spiegelt die wiederkehrenden Stapelkonfigurationen der Kohlenstoffatome über Bor‑ und Stickstoffatomen im hBN wider. Bemerkenswerterweise ändert sich die Gesamtamplitude des Potenzials nur schwach — um etwa zehn Prozent — wenn die Elektronenfüllung des moiré‑Gitters variiert wird, was bedeutet, dass die Landschaft weitgehend durch die atomare Struktur selbst und weniger durch die Zahl der vorhandenen Elektronen bestimmt wird.

Theorie geprüft — und unzureichend

Die Forschenden vergleichen ihre Messungen anschließend mit detaillierten theoretischen Modellen der Graphen/hBN‑Schnittstelle. Diese Modelle berücksichtigen Beiträge aus der Stapelung der beiden Schichten, aus der leichten Dehnung und Relaxation der Graphenschicht sowie aus der Umverteilung von Elektronen zur Abschirmung elektrischer Felder. Die einzelnen Effekte begünstigen jeweils eine dreifache Symmetrie, doch wenn sie kombiniert werden, heben sie bestimmte Asymmetrien nahezu auf und erzeugen so natürlicherweise ein Muster, das der im Experiment beobachteten nahezu sechsfache Symmetrie nahekommt. Die Theorie sagt jedoch ein Potenzial voraus, das nur etwa halb so stark ist wie das tatsächlich Gemessene. Einfach eine größere Dehnung im Material anzunehmen, behebt diese Diskrepanz nicht, ohne die beobachtete Symmetrie zu zerstören. Diese Abweichung deutet darauf hin, dass selbst in diesem „Lehrbuch“‑moiré‑System wichtige physikalische Effekte in den aktuellen Modellen noch fehlen.

Warum das für zukünftige Quantenmaterialien wichtig ist

Über die Lösung einer langjährigen experimentellen Herausforderung hinaus bietet die atomare SET‑Methode ein mächtiges neues Fenster in Quantenmaterialien. Sie erreicht eine räumliche Auflösung von rund 1 Nanometer und ist empfindlich gegenüber Potenzialvariationen, die nur wenigen Millionstel der Elementarladung in dieser Entfernung entsprechen. Die Messungen zeigen außerdem, dass das moiré‑Potenzial mit der Entfernung von der Schnittstelle schnell abklingt, aber stark genug bleibt, um selbst relativ dicke Graphenstapel zu beeinflussen. Zusammen ermöglichen diese Fähigkeiten, dass Forschende Ladungsordnungen, subtile Symmetriebrechungen und fraktionalisierte Anregungen in einer Vielzahl von konstruierten Quantensystemen — von Wigner‑Kristallen bis zu topologischen Zuständen — direkt abbilden können, statt sie nur indirekt abzuleiten.

Zitation: Klein, D.R., Zondiner, U., Keren, A. et al. Imaging the sub-moiré potential using an atomic single electron transistor. Nature 650, 875–881 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10085-z

Schlüsselwörter: moiré‑Materialien, Graphen, Rastersonde, Quantenpunkt‑Sensor, elektrostatisches Potenzial