Международная команда физиков из Института науки Вейцмана (Израиль), Техниона (Израиль), МФТИ, Национального университета Сингапура, Гарвардского университета, Университета Вашингтона в Сент-Луисе, Национального института материаловедения Японии и Университета Пенсильвании впервые получила прямое изображение электростатического потенциала на муаровом интерфейсе между графеном и гексагональным нитридом бора. Работа опубликована в журнале Nature.
Поведение электронов в твердом теле определяет электрические, оптические и тепловые свойства металлов, поэтому оно интересует ученых. Это поведение само определяется периодическим потенциальным рельефом кристаллической решетки. В обычных материалах период потенциального рельефа составляет доли нанометра, что делает прямое наблюдение распределения потенциала крайне сложной задачей.
Ситуация изменилась с развитием муаровой инженерии — подхода, при котором наложение двух атомарно тонких слоев с немного различающимися периодами решеток создает новую сверхструктуру с периодом в десятки нанометров. Такие муаровые решетки позволяют управлять свойствами электронов и стали платформой для множества открытий: от фрактальных квантовых эффектов до необычных магнитных и сверхпроводящих состояний.
Одним из наиболее интересных для ученых примеров является интерфейс между графеном и нитридом бора — система, которая считается модельной, но до сих пор исследовалась лишь косвенными методами, через транспортные или оптические измерения. Прямая визуализация муарового потенциала оставалась недостижимой: сканирующие зонды либо имели недостаточное разрешение, либо не обладали нужной чувствительностью.
Международная команда ученых предложила принципиально иной подход. Они использовали сканирующий одноэлектронный транзистор на основе одиночного атомного дефекта — новый инструмент, сочетающий нанометровое пространственное разрешение с чувствительностью, позволяющей различать вариации в несколько частей на миллион потенциала, создаваемого единичным зарядом электрона на расстоянии, заданном пространственным разрешением.
Ранее эти же исследователи разработали квантово-скручивающий микроскоп, позволяющий формировать и сканировать идеальные интерфейсы между двумерными материалами. В новой конфигурации изучаемая структура — графен, выровненный относительно нитрида бора,— помещалась на острие сканирующего зонда, а дефект был встроен в неподвижный изолирующий барьер над графеновым электродом. При перемещении зонда локальный электростатический потенциал муаровой структуры изменял энергию квантовой точки, образованной дефектом. Отслеживая смещение кулоновских пиков по напряжению затвора, ученые восстановили карту потенциала с разрешением приметрно 1 нм.
Измерения выявили неожиданные детали. Амплитуда муарового потенциала велика — от 52 до 62 милливольт — и сохраняется даже при нулевой концентрации свободных носителей заряда. Форма потенциала оказалась близка к гексагональной симметрии — разница между двумя типами минимумов внутри элементарной ячейки не превышала 4 милливольт, что указывает на присутствие небольшой компоненты с трехкратной симметрией (C3) на фоне общей близости к C6.
Мария Сидорова, сотрудница лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, отметила: «Команде ученых, в которой мне посчастливилось работать, удалось не только увидеть муаровый потенциал напрямую, но и сравнить его с расчетами. Исследование носит революционный характер и открывает новые горизонты в изучении потенциальной структуры материалов.
Принцип работы одноэлектронного транзистора является передовой разработкой, демонстрирующей высокую пространственную разрешимость и энергетическую чувствительность, превосходящую по своим значениям существующие аналоги.
Результаты эксперимента с выровненными графеном и нитридом бора позволили впервые увидеть их потенциальную структуру, симметрия которой оказалась близка к гексагональной (С6), в то время как теоретические расчеты предсказывали ярко выраженную С3-симметрию. И амплитуда потенциала (60 мВ) оказалась вдвое выше, предсказанной теорией. Это значит, что теория еще требует уточнения».
Возможность напрямую видеть потенциал, в котором движутся электроны, открывает новое окно в физику двумерных материалов. Авторы также измерили, как быстро спадает муаровый потенциал при удалении от интерфейса G/hBN. Для этого они использовали два дефекта, расположенных на разном расстоянии от интерфейса, примерно 0,8 и 1,5 нм. Даже на столь малых дистанциях потенциал ослабевает очень существенно, примерно на 60%. Это объясняет, почему все предыдущие попытки зарегистрировать его на большем удалении терпели неудачу и подчеркивает важность работы на предельно малых зазорах.
Новый метод сочетает высокое пространственное разрешение (около нанометра) с чувствительностью, характерной для одноэлектронных транзисторов. Разрешение улучшено примерно на два порядка по сравнению с обычными сканирующими SET-зондами, размеры которых ограничены технологией литографии. Это позволяет впервые исследовать электростатические ландшафты внутри муаровых ячеек и на масштабах, меньших характерных квантовых длин — длины волны на уровне Ферми, магнитной длины в поле и периода самих муаровых структур.
В перспективе метод может быть применен для прямого изучения широкого круга явлений в квантовых материалах. С его помощью можно визуализировать распределение заряда в вигнеровских кристаллах — упорядоченных состояниях электронов, исследовать заряды квантованных вихрей в сверхпроводниках, изучать краевые состояния в топологических изоляторах и, возможно, наблюдать следы частиц с дробным зарядом, предсказанных для некоторых коррелированных фаз. Поскольку геометрия квантово-скручивающего микроскопа позволяет сканировать внутри различных ван-дер-ваальсовых гетероструктур, новый инструмент обещает стать универсальным для исследований на наномасштабе.
Научная статья: 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). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-10085-z
