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电子 - 声子耦合（EPC）对量子材料性质影响重大，但直接测量单个声子模式的 EPC 颇具挑战。研究人员利用低温量子扭转显微镜（QTM）研究扭曲双层石墨烯（TBG）的声子色散和 EPC，发现 TBG 中特殊低能模式的耦合随扭转角减小而增强，为相关研究开辟新途径。
在微观的量子世界里，电子与声子之间的相互作用如同一场神秘的舞蹈，影响着固体材料的诸多特性，比如电阻率、热导率和超导性等。然而，想要精准地观测这场 “舞蹈”，直接测量单个声子模式下电子与声子的耦合（EPC），却一直是科学界面临的巨大挑战。现有用于研究声子色散和 EPC 的技术，像基于光子、电子、中子或氦原子的非弹性散射方法，以及通过电阻间接测量的手段，都存在一定的局限性，难以对低能声学模式的 EPC 进行定量分析。正因如此，探索一种更有效的研究方法迫在眉睫。
来自以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）等多个研究机构的科研人员，决心攻克这一难题。他们开展了一项关于利用量子扭转显微镜（QTM）研究扭曲双层石墨烯（TBG）中声子色散和 EPC 的重要研究。通过将 QTM 技术拓展到低温环境，研究人员成功实现了对 TBG 中声子光谱和模式分辨 EPC 的直接测量。这一研究成果意义非凡，不仅揭示了 TBG 中独特的声子模式与电子耦合的特性，还为量子材料中集体行为的研究提供了全新的有力工具。相关研究成果发表在顶尖学术期刊《Nature》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是低温 QTM 技术，他们定制了低温原子力显微镜（AFM），构建出可在低温下连续扭转的范德华（vdW）异质结构界面，为研究提供了稳定的实验平台 。其次，通过测量隧穿电流和电导，结合动量分辨的隧穿过程，研究人员得以获取声子色散和 EPC 的信息。此外，他们还利用静电模型对实验数据进行分析，深入探究了 EPC 与各种实验参数之间的关系。
测量声子色散
研究人员以两层几十纳米厚的石墨层形成的扭转界面为研究对象，在不同偏压（Vb）和扭转角（θ）下测量隧穿电流（I）和电导（G）。实验发现，零偏压时，在特定的扭转角（21.8°和38.2°）处，由于界面两侧费米面重叠，出现弹性动量分辨隧穿，G呈现明显峰值。当Vb=50mV时，G在所有扭转角下都显著增加。在θ=30°时，G随偏压的变化呈阶梯状，表明出现了离散的非弹性隧穿过程。通过对G与θ、Vb的二维测量，以及对dVb2d2I的分析，研究人员观察到一系列低能峰，这些峰的开启偏压随θ平滑变化。将理论计算的石墨声子光谱与实验结果对比，成功识别出了声学（TA、ZA）和光学（LO、TO、ZO）声子分支。这一结果表明，利用低温 QTM 技术能够有效地测量声子色散。
TBG 中的 EPC
研究人员进一步研究了 TBG 系统中的 EPC。他们构建了一个可调谐的 TBG 系统，通过将置于针尖上的六方氮化硼（hBN）支撑的单层石墨烯与底部带有埋入式石墨栅极的单层石墨烯接触。实验测量了不同扭转角下，G和dVb2d2I随Vb的变化，以此研究 TBG 中不同声子分支的 EPC。研究发现，在Vb≈160mV附近，对应于谷间 K 点光学声子（LO 和 TO）的G出现明显台阶，表明存在较强的 EPC。而在声学分支中，面外（ZA）和横向（TA）模式的峰明显，但纵向（LA）模式却缺失。此外，TA 模式的 EPC 并未像通常预期的声学模式那样随动量减小而减弱，反而增强。为了解释这些现象，研究人员提出了 TBG 中两种 EPC 机制：层内机制和层间机制。层内机制中，声子调制层内跳跃振幅，导致电子在层内散射，但在本实验中是二阶过程；层间机制中，两层原子的反对称振动（TBG 的相位子模式）直接改变层间隧穿振幅，是一阶过程。理论分析表明，层内 EPC 在qM→0时趋于零，而层间 EPC 在qM→0时，由于原子键拉伸与qM的特殊关系，反而增强。通过对实验参数（如针尖接触面积、态密度等）的研究，研究人员进一步验证了这两种机制对 EPC 的影响，并成功提取了光学声子和相位子的 EPC。
研究结论与讨论
综合上述研究，研究人员利用首次实现的低温 QTM 技术，成功展示了一种测量 vdW 材料中声子色散以及模式分辨和动量分辨 EPC 的新方法。在 TBG 的研究中，发现相位子耦合对 TBG 物理性质的重要性至少与光学声子耦合相当，且二者都与电子自由度有较强的耦合。这一发现为理解 TBG 的物理性质提供了新的视角，也为超导性等相关研究提供了关键信息。此外，该研究方法具有广泛的适用性，有望应用于各类 vdW 材料，以及研究其他集体模式（如等离子体激元、磁振子、自旋子）的色散和耦合，成为研究量子材料中集体行为的有力工具。不过，研究也存在一定的局限性，如在小扭转角下，由于弹性隧穿过程、层间强杂化、热声子吸收和接触电阻等因素的影响，测量结果会受到干扰。未来，随着技术的不断进步和研究的深入，有望进一步突破这些限制，更深入地探索量子材料的奥秘。
