两种显微镜技术被合并为一种工具，用于扭转彼此相对的超薄原子层。该方法为研究奇异层状材料的电子特性提供了一个新的视角。
2018年，科学家们取了两片单原子层厚的碳（称为石墨烯），将它们相对彼此旋转了一个“魔法”角度，得到了惊人的观察结果：该系统可以没有任何电阻地导电[1]。随即他们立即开始努力表征这种有趣的转角双层石墨烯的特性，但该研究被证明十分困难[2]。虽然很容易把制造过程想象成像相对旋转两张纸一样简单，但实际上非常复杂，因为完全对齐的结构比转角结构更稳定。Inbar等人[3]在《自然》上报道了一种激动人心的实验技术，用于原位控制这些层的对齐角度——这或许是我们最为接近理想场景的情形，相当于旋转两张纸。
作者首先研究了电荷载流子如何从一层移动到另一层，以及允许这种运动（传导）的旋转角。简单地解释这一点，可以类比为沿途交汇的两列火车。如果两列火车以相同方向和相同速度移动，就很容易从一列火车跳到另一列。然而，如果它们以不同的速度或相反的方向移动，从一列火车跳到另一列火车几乎是不可能的。这是因为动量是守恒的——跳跃的人需要在跳跃前后具有相同的动量。
同样的事情也发生在载流子身上：只有当它们在跳跃前的动量与跳跃后的动量相匹配时，它们才能在层与层之间轻松移动[4,5]。这个简单但巧妙的动量匹配概念，使Inbar等人开发了一种显微镜技术，他们将其命名为量子转角显微镜。该方法利用具有原子级平整表面的二维材料的结构特性，探索材料最基本的量子力学特性，也就是电子的能量色散——电子的能量取决于其动量的方式。
Inbar及其同事的技术实际上合并了现有的显微镜工具：原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM），这两种工具都涉及使用极尖的探针扫描样品。AFM生成样品图像是通过测量针尖和样品之间的力，而STM则是通过测量针尖和样品之间施加电压时的电流。作者利用这两种能力构建了一种可以控制薄片间对齐角度的装置，它还可以测量这一层状结构在原位操作时的能量色散。
Inbar等人首先制作了一个由铂制成的金字塔形原子力显微镜针尖，并在其上沉积了石墨和氮化硼。然后，他们用一层石墨烯覆盖了这个针尖，使它看起来像一个平顶的帐篷。作者将针尖安装在AFM中，然后使针尖上的石墨烯与另一个石墨烯层接触；样品上的石墨烯被放置在角度旋转器的顶部，从而用于控制层之间的对齐角度（图 1a）。两层之间的接触面积很大（特别是与STM中的接触面积相比），这使当作者使层之间发生旋转后能够研究层间的动量匹配如何改变整个结构的电荷输运特性（图 1b）。
图 1 量子转角显微镜。a，Inbar等人[3]开发了一种称为量子转角显微镜的工具，可用于控制一个或多个包含单层原子的薄片之间的对齐角度——例如由碳制成的石墨烯。显微镜由金字塔形金属针尖组成，该金属针尖覆盖在一个单原子层（例如石墨烯）中，并与旋转器上的第二个样品接触。b，这样，显微镜就可用于原位控制此类层间的对齐角度。c，该装置还可以测量和改变多层结构中的电子能量动量色散关系。在这种模式下，电子会穿过一个额外的二硒化钨层。
然后他们通过研究该结构的能量色散关系使得研究更进了一步。为此，Inbar等人添加了一层二硒化钨作为两层石墨烯之间的屏障，使作者能够测量通过屏障的电流（图 1c）。在此模式下，该设备的功能与STM大致相同。
作者在石墨烯上进行了这些实验作为概念证明。但他们也表明，该方法可用于探测具有更复杂的能量色散的系统；他们使用覆盖有单层石墨烯的针尖来探测由转角双层石墨烯制成的样品。此类实验将使研究人员能够更好地了解转角双层石墨烯等系统的电子行为，而不受其他实验技术相关的尺寸限制。通过改变AFM针尖施加的压力，作者表明他们甚至可以改变转角双层石墨烯的能量色散。这种方法改进了以前相关的具有挑战性的电子输运测量技术[6]。
Inbar和他的同事们的技术非同凡响，这将促成凝聚态物理学的几个关键研究方向。例如，物理学家长期以来一直在寻找一种原位改变样品能量色散的技术——Inbar和他的同事通过施加压力来改变层间的对齐角度，使这一目标成为可能。他们的贡献是改进和优化二维层状结构（例如转角双层石墨烯）的最新技术进展。
该技术合乎逻辑的下一步将是在低温下进行相同的实验，在低温下，与改进的能量色散相关的量子现象会得到增强。将Inbar及其同事展示的两种类型的实验结合起来也会很有趣——也就是说，当一个结构的层间相对于彼此旋转时，测量该结构的原位能量色散的变化。但这可能就是另一个故事的转折点了。
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