美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的 Joseph A. Stroscio 和他的同事以及国际合作者团队开发了一种“量子尺”来测量和探索这些扭曲材料的奇怪特性。这项工作还可能会产生一种新的小型化电阻标准，可以直接在工厂车间校准电子设备，而无需将它们发送到场外标准实验室。
弗吉尼亚州费尔法克斯乔治梅森大学的物理学家费雷什特·加哈里 (Fereshte Ghahari) 的合作者采用了两层约 20 微米宽的石墨烯（称为双层石墨烯），并将它们相对于另外两层扭转，从而创建了莫尔量子物质装置。Ghahari 使用 NIST 纳米科学技术中心的纳米加工设施制造了该设备。NIST 研究人员 Marlou Slot 和 Yulia Maximenko 随后将这种扭曲材料装置冷却到绝对零以上百分之一的程度，减少了原子和电子的随机运动，并提高了材料中电子相互作用的能力。达到超低温后，他们研究了当改变强外部磁场的强度时石墨烯层中电子的能级如何变化。
为了测量能量水平，该团队使用了 Stroscio 在 NIST 设计和制造的多功能扫描隧道显微镜。当研究人员在磁场中向石墨烯双层施加电压时，显微镜记录了从材料“隧道”出来到显微镜探针尖端的电子的微小电流。
在磁场中，电子沿圆形路径移动。通常，固体材料中电子的圆形轨道与所施加的磁场有特殊的关系：每个圆形轨道所包围的面积乘以所施加的磁场，只能呈现一组固定的离散值，因为电子的量子性质。为了保持固定的乘积，如果磁场减半，则轨道电子包围的面积必须加倍。遵循这种模式的连续能级之间的能量差异可以像尺子上的刻度线一样用来测量材料的电子和磁性特性。与这种模式的任何细微偏差都将代表一种新的量子标尺，它可以反映研究人员正在研究的特定量子莫尔材料的轨道磁特性。
事实上，当 NIST 研究人员改变施加到莫尔石墨烯双层的磁场时，他们发现了新量子标尺在起作用的证据。电子圆形轨道所包围的面积乘以所施加的磁场不再等于固定值。相反，这两个数字的乘积发生了一定程度的偏移，具体取决于双层的磁化强度。
这种偏差转化为电子能级的一组不同刻度线。这些发现有望为了解电子如何限制在扭曲的石墨烯片中产生新的磁性提供新的线索。
“利用新的量子尺来研究圆形轨道如何随磁场变化，我们希望揭示这些莫尔量子材料的微妙磁性，”Stroscio 说。
在莫尔量子材料中，电子具有一系列可能的能量（高能量和低能量，形状像鸡蛋盒），这些能量由材料的电场决定。电子集中在纸盒的较低能态或谷中。NIST 理论物理学家保罗·哈尼 (Paul Haney) 表示，双层石墨烯谷之间的间距很大，比任何单层石墨烯或未扭曲的多层石墨烯中的原子间距都大，这是该团队发现的一些不寻常磁性的原因。
研究人员，包括来自马里兰大学帕克分校和联合量子研究所（NIST 与马里兰大学之间的研究合作伙伴）的同事，在《科学》杂志上描述了他们的工作。
由于莫尔量子物质的特性可以通过选择特定的扭转角和原子薄层的数量来选择，因此新的测量有望更深入地了解科学家如何定制和优化宿主量子材料的磁和电子特性微电子及相关领域的应用。例如，众所周知，超薄超导体是对单光子极其敏感的探测器，而量子莫尔超导体是最薄的超导体之一。
NIST 团队还对另一种应用感兴趣：在适当的条件下，莫尔量子物质可能会提供一种新的、更易于使用的电阻标准。
本标准基于当强磁场施加到二维层中的电子时材料呈现的离散电阻值。这种现象被称为量子霍尔效应，源于上述圆形轨道中电子的相同量子化能级。离散电阻值可用于校准各种电气设备中的电阻。但由于需要强大的磁场，因此校准只能在 NIST 等计量设施中进行。
斯特罗西奥说，如果研究人员能够操纵量子莫尔物质，使其即使在没有外部施加磁场的情况下也具有净磁化强度，那么它就有可能被用来创建一种新的便携式版本的最精确电阻标准，称为反常量子霍尔电阻标准。电子设备的校准可以在制造现场进行，这可能节省数百万美元。
Journal Reference:
- M.R. Slot, Y. Maximenko, P.M. Haney, S. Kim, D.T. Walkup, E. Strelcov, Son T. Le, E.M. Shih, D. Yildiz, S.R. Blankenship, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Barlas, N.B. Zhitenev, F. Ghahari and J.A. Stroscio. A Quantum Ruler for Orbital Magnetism in Moiré Quantum Matter. Science, 2023 DOI: 10.1126/science.adf2040
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