2D材料：原子単一電子トランジスターを用いたサブモアレポテンシャルの撮像

固体中の電子の特性は、電子が置かれている周期的なポテンシャルランドスケープに起因している。モアレ格子の登場によって、ナノメートルスケールでそうしたランドスケープを操作する能力に大変革がもたらされ、数多くの画期的な発見につながった。こうした進展にもかかわらず、静電ポテンシャルランドスケープの直接撮像は、依然として困難である。今回我々は、ファンデルワールス材料における単一原子欠陥を超高感度の高分解能ポテンシャルセンサーとして用いる新しい走査型プローブである、原子単一電子トランジスター（SET）を提示する。量子ツイスティング顕微鏡（QTM）プラットフォーム上に構築されたこのプローブは、QTMがvdWヘテロ構造間に清浄で走査可能な二次元界面を形成する能力を利用している。我々は、この原子SETを用いて、六方晶窒化ホウ素とその上に配列させたグラフェンの標準的なモアレ界面における静電ポテンシャルの初の直接画像を提示する。測定されたポテンシャルは、近似的なC6対称性、最小限のキャリア密度依存性、キャリアが存在しなくても約60 mVという大きな振幅を示した。理論によって、この対称性が、競合する対称性を持つ物理機構の繊細な相互影響に起因することが示された。また、測定された振幅は理論予測を大きく超えており、これは、現在の理解が不完全である可能性を示唆している。今回の原子SETは、空間分解能が1 nmで、単一電子電荷の数百万分の1のポテンシャルでも検出できる感度を持ち、対称性が破れた相、量子結晶、渦電荷、分数準粒子を含む、広範な量子現象にわたる電荷秩序や熱力学特性の超高感度撮像を可能にする。

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