范德瓦尔斯异质结构的3D微波成像
介观与纳米尺度物理
2025-08-27 v1 强关联电子
摘要
范德瓦尔斯（vdW）异质结构提供了层状电子体系实现涌现现象的可调平台。虽然扫描探针显微技术在表面态和2D晶体表征方面已证明有用，但多层体系中量子现象的亚表面成像仍是一个巨大的挑战。在3D异质结构中，占据不同平面的态可以同时贡献于显微探针检测到的信号，这使得图像分析和解释复杂化。本文提出一种量子成像技术，通过解决平面外的态提供了第三维的视角：它逐层提取异质结构内部各原子平面上的电荷密度景观。作为概念验证，我们使用毫开尔文微波阻抗显微术对双层石墨烯中的量子霍尔态和电荷无序进行层分辨成像。顶层的离散能谱使微波通过带隙态成为可能，从而直接进入亚表层量子相。解决电荷在平面外的分布提供了对间层屏蔽的直接探针，揭示了由多体关联驱动的负量子电容的特征。同时，我们提取了能带结构和热力学的关键特征，包括隧穿带隙大小。值得注意的是，通过对表层以下不同原子平面的电荷分布进行成像，我们阐明了表面杂质和屏蔽对分数量子霍尔态稳定性在何种程度上起作用。我们还表明，最上层的石墨烯可作为顶栅使用：这为从分数Chern绝缘体（在莫氏超格中）到多层石墨烯中的关联态等需要电场控制的现象打开了可及路径。
引用
@article{arxiv.2508.18365,
title = {3D microwave imaging of a van der Waals heterostructure},
author = {Leonard W. Cao and Chen Wu and Lingyuan Lyu and Liam Cohen and Noah Samuelson and Ziying Yan and Sneh Pancholi and Kenji Watanabe and Takashi Taniguchi and Daniel E. Parker and Andrea F. Young and Monica T. Allen},
journal= {arXiv preprint arXiv:2508.18365},
year = {2025}
}