С его помощью впервые удалось увидеть, как электроны взаимодействуют с необычными колебаниями атомной решетки в графене — фазонами. Это открытие помогает понять, почему при повороте слоев графена на «магический угол» возникает сверхпроводимость и „странная металличность“.

Результаты опубликованы в издании Nature.

Свойства материалов зависят от поведения электронов и колебаний атомов (фононов). Когда эти частицы взаимодействуют, могут возникать удивительные эффекты — например, электроны объединяются в пары, и материал становится сверхпроводником. Но измерить эту связь для отдельных типов колебаний раньше не получалось.

Два года назад команда профессора Шахаля Илани создала QTM — микроскоп, который использует тонкий слой материала как квантовый интерферометр.

Первая версия работала при комнатной температуре и показывала электронные волны. Теперь ученые модернизировали его для криогенных температур и обнаружили, что он может видеть фононы с невероятной точностью.

Как это работает:

• Электроны перескакивают между двумя слоями графена, излучая фонон.
• Меня напряжение и угол поворота слоев, можно управлять энергией и импульсом этого фонона.
• Так получается полная «карта» колебаний материала.

Мы не просто видим фононы — мы измеряем, насколько сильно они связаны с электронами, — говорит Джон Биркбек, один из авторов исследования.

Это как разобрать сложный механизм на винтики и понять, как каждый из них влияет на работу целого.

Применив метод к скрученному графену, ученые обнаружили неожиданное: фазоны — особые низкоэнергетические колебания, которые усиливаются при приближении к «магическому углу». Возможно, именно они играют ключевую роль в странных свойствах этого материала.

Наш метод можно использовать не только для фононов, — добавляет Цзявэнь Сяо, соавтор работы. — Он подойдет для изучения любых коллективных возбуждений: плазмонов, магнонов, спинонов.

Это только начало, — говорит Алон Инбар. — Впереди еще много открытий.

QTM теперь — не просто микроскоп, а универсальный детектор квантовых явлений. Он поможет в разработке квантовых компьютеров, сверхчувствительных датчиков и электроники нового поколения.

Этот прорыв важен, и вот что он дает:

• Понимание сверхпроводимости: если раскрыть механизм «магического угла» в графене, можно создать материалы, проводящие ток без потерь при более высоких температурах.
• Контроль над квантовыми состояниями: умение измерять связь электронов с фононами открывает путь к управлению свойствами материалов «на лету».
• Новые технологии: от сверхбыстрой электроники до квантовых сенсоров, которые чувствуют магнитные поля или температуру с атомарной точностью.

Главное — метод универсален. Его можно применить к другим квантовым материалам, где «прячутся» неизвестные науке явления.

Ранее ученые изучили оксид графена с помощью инфракрасной спектроскопии.