使用原子单电子晶体管成像亚摩尔势

窥见不可见的电子地形

从智能手机到量子计算机，所有电子器件的运行都依赖于电子在材料中的运动方式。然而，引导这些电子的微小“地形”——电势景观长期以来大多是不可见的。这项研究首次直接展现了堆叠的原子薄晶体所构成的设计材料中的此类景观图像。由此揭示的意外结果挑战了现有理论，并为可视化一些已知最奇特的电子态开辟了一条新道路。

原子薄材料中的设计图案

当两层超薄晶体（如石墨烯和六方氮化硼 hBN）以轻微扭角或错位叠加时，会产生一种更大尺度的重复图案，称为莫尔晶格。这个图案像对电子的人工晶体，产生诸如非常规磁性和奇异量子霍尔效应等新行为。在石墨烯/ hBN 系统中，这种工程化图案在所谓“扭电子学”领域的许多突破中发挥了核心作用。但直到现在，科学家们只能通过输运或光学测量等间接方法推断出潜在的电势景观。莫尔势的实际形状和强度——电子所感受到的山谷与峰值——从未被直接看到过。

将单个原子作为超灵敏测量表

作者们引入了一种“原子单电子晶体管”（atomic SET），这是一种新型扫描探针，利用单个原子缺陷作为对局部电势的超灵敏探测器。该缺陷位于一层薄半导体（WSe₂）中，表现得像一个量子点：它允许电子逐个隧穿，而发生隧穿的能量会响应周围电势的微小变化而移动。研究团队并未像通常那样移动缺陷以扫描样品，而是颠倒了常规几何结构。他们将感兴趣的材料——与 hBN 对齐的石墨烯——安装在量子扭曲显微镜的探针尖端，并将其在固定的缺陷上扫描。当莫尔图案经过该缺陷时，会微妙地“门控”这个量子点，通过追踪其电导峰的位移，研究人员以纳米级精度绘制出局部静电势的地图。

在实空间中成像莫尔地形

利用该原子 SET，团队获得了单个莫尔胞内电势的二维和三维地图。他们发现即便在石墨烯基本没有额外电子载入（零载流子密度）时，电势仍然强烈变化——谷底到峰顶约有60毫伏的差异。对于此类系统中的电子而言，这是一个相当显著的能量尺度。该图案呈近六重旋转对称，中间有一个最大值，两个近似等价的最小值相隔60度，反映了碳原子在 hBN 上方不同堆叠构型的重复排列。值得注意的是，随着莫尔晶格电子填充量的变化，电势的总体振幅仅弱地改变——大约10%的幅度——这意味着该景观主要由原子结构本身决定，而非电子数目。

理论受检验，却不足以解释

研究者随后将他们的测量结果与关于石墨烯/ hBN 界面的详细理论模型进行比较。这些模型包含了层间堆叠方式、石墨烯薄片的微小拉伸与弛豫以及电子为屏蔽电场而重组等贡献。各个成分单独会偏好三重对称，但当它们组合在一起时，会近似抵消某些不对称性，自然产生接近实验中观察到的六重图案。然而，理论预测的电势强度只有实际测量值的大约一半。仅仅假设材料中更大的应变无法在不破坏观察到的对称性的情况下修正这种不匹配。这一差异表明，即便在这个“教科书式”的莫尔系统中，当前模型仍遗漏了一些重要的物理效应。

这对未来量子材料意味着什么

除了解决一个长期存在的实验难题外，原子 SET 方法为量子材料提供了一个强大的新观测窗口。它大约实现了1纳米的空间分辨率，并且对对应于在该距离上仅为几百万分之一电子电荷的电势变化也很敏感。测量还表明莫尔势随距离界面的增大迅速衰减，但仍足够强以影响相对较厚的石墨烯堆叠。结合这些能力，科学家们将能直接成像电荷序、微妙的对称性破缺以及分数化激发等现象，在从维格纳晶体到拓扑态的各种工程化量子系统中，而不再依赖间接推断。

引用: 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

关键词: 莫尔材料, 石墨烯, 扫描探针, 量子点传感器, 静电势