量子世界特別驚人的特性是波粒二象性；粒子，例如電子，所具備的波動特性，意味著它同時存在於許多地方。在近期發表於《自然（Nature）》期刊上的這項新研究，以色列魏茲曼科學研究院學者利用了這個特性發展了一種新型工具－量子扭轉顯微鏡 (quantum twisting microscope, QTM) －可以用來創造新型量子材料，同時深入凝視電子的基本量子特性。此研究的發現將能夠用來創造帶有前所未見功能性的電子材料。
量子扭轉顯微鏡QTM涉及兩層厚度僅約一個原子的薄膜材料之間的扭轉或是旋轉。近年來，這種扭轉已成為許多科學發現的主要來源。此發現開始於將兩層石墨烯間以輕微相對扭轉角度的方式置入一層單原子厚度的碳晶片，藉此形成擁有意想不到新特性的三明治結構。扭轉角被證明是控制電子行為最關鍵的參數：僅改變十分之一度就能夠將材料從超導體轉變成絕緣體。但同時這也是實驗中最難以控制的參數。整體而言，將兩個薄膜扭轉到一個新的角度意味著需要從頭建構一個新的三明治，這是一個漫長且乏味的過程。
以色列魏茲曼科學研究院凝態物理學系 Shahal Ilani 教授表示：「我們最初的動機是藉由製造一台儀器來實現兩個材料之間任意的扭轉角度，藉此來產出無限種類的新型材料。然而，在開發這台儀器時，我們發現它也可以是一台強大的顯微鏡，其能夠以前所未見的方式看到量子電子波。」
■ 製作量子圖像
長久以來，視覺圖片一直在科學研究中扮演著核心角色。光學顯微鏡與望遠鏡提供圖像，使科學家們能夠更加深入了解生物與天體物理系統。另一方面，拍攝材料內部的電子影像，因其涉及的尺寸極小，多年以來一直是困難的議題。大約在四十年前，隨著掃描穿隧式顯微鏡 (scanning tunneling microscope , STM) 的發明，這種困境獲致突破，其開發者於 1986 年獲得了諾貝爾物理獎。此類型顯微鏡使用了原子尺寸的尖銳探針來掃描材料表面，並由量測電流，建構樣本電子分佈的圖像。
同屬以色列魏茲曼科學研究院凝態物理學系的 Ady Stern 教授 (此研究同時有著同系所的理論物理學家 Binghai Yan、Yuval Oreg 與 Erez Berg 參與) 表示：『從掃描穿隧式顯微鏡發明後，許多不同類型的掃描探針陸續被開發出來，每一種具備量測不同電子特性的功能。但這些探針都是一次只能在一個位置量測，其只能將電子視為粒子，因此只能間接了解其波動特性。事實證明，我們所開發的工具能夠直接視覺化量子電子波動，其為我們提供一個一窺量子舞動於材料內部的方法。』
■ 同時在多點觀察單一電子
此論文的第一作者 Alon Inbar 表示：「觀察量子波的秘訣是在同一時間點於不同位置上辨識同一個電子。這個量測概念與在一個世紀前，首度用來證明量子力學中的電子具有波動性的知名雙狹縫實驗的原理相似。」另一位作者 John Birkbeck 博士補充說：「唯一的差別是，我們在我們的掃描顯微鏡的探針尖端上進行這樣類型的實驗。」
為了實現這個目標，研究人員們將掃描穿隧式顯微鏡原本的原子尺寸探針替換成有著一層量子材料的平面薄膜 (如：單層石墨烯)。當此薄膜層與待測樣品表面接觸時，會形成一個二維介面，電子能在多個不同位置產生穿隧效應。從量子力學的角度來看，它們同時在所有位置穿隧，而不同位置上的穿隧事件相互干擾著。只有在介面兩側的波動函數確切匹配時，這種干涉才會允許電子穿隧。Ilani 教授表示：「要觀察量子電子，我們需要很細心。我們不是直接了當地詢問它『你在哪裡？』，而是在我們不知道它實際穿越過哪些地方的前提下，為它提供多條進入我們探測器的路線，我們就可以讓它保持其原本脆弱的波動性質。」
■ 扭轉與穿隧
通常，探針尖端與樣本的電子波會沿著不同方向傳播，因此造成不匹配現象。量子扭轉顯微鏡使用其扭轉能力來找到兩者匹配發生的角度：相對於樣本其透過調整探針，此工具能夠導致它們所對應的波動函數產生扭轉。一但這些波動函數在介面兩側達到匹配時，就會產生穿隧效應。因此這樣的扭轉能夠讓量子扭轉顯微鏡映射出電子波動函數與動量的相關性，類似於探針尖端的橫向平移能夠映射其對於位置的相關性一般。只要知道電子以哪個角度穿越介面，研究人員就可以獲得被探測材料樣本的綜合資訊，他們可以了解樣本中的電子速度、能量散佈、干涉模式、甚至不同波之間的交互作用。
■ 量子材料的新扭轉
另一位主要作者 Jiewen Xiao 表示：「我們的顯微鏡將能為科學家們提供一種新式鏡頭，用來觀察與測量量子材料的特性。」
此魏茲曼科學研究院團隊已經將顯微鏡技術應用在數種關鍵量子材料於室溫中的特性研究。目前正在準備於數度克氏溫度的環境下，進行新的實驗，因為在這個溫度環境下，數種令人興奮的量子力學效應的發生是可預期的。
能夠以如此深入地觀察量子世界將可以幫助揭露關於自然的基本真理。將來、它可能會對新興技術產生巨大影響。量子扭轉顯微鏡將成為研究人員們發覺量子現象的新視野，提供他們前所未見的新型量子介面光譜。
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