圖1.(a)帶有諧振腔型 IDT 的 TBG 器件示意圖

2025年，復(fù)旦大學(xué)修發(fā)賢、張成團(tuán)隊(duì)在《Nano Letters》發(fā)表題為"Phase Diagram Mapping of a Moiré System Using Surface Acoustic Waves"的研究成果，首次將表面聲波(SAW)技術(shù)應(yīng)用于扭曲雙層石墨烯(TBG)摩爾系統(tǒng)。通過(guò)法布里-珀羅SAW諧振器(259.75 MHz)與1.04° TBG器件的集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)、陳絕緣體態(tài)和朗道能級(jí)的高靈敏度探測(cè)。實(shí)驗(yàn)中，賽恩科儀OE2052鎖相放大器作為核心測(cè)量設(shè)備，成功解決了低電導(dǎo)態(tài)(10-6 S/m)信號(hào)微弱、易被噪聲淹沒(méi)的難題，為揭示量子態(tài)頻率依賴性提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備

1.樣品制備(圖1)

· 基底：Y切鈮酸鋰(LiNbO3)襯底(避免鐵電極化摻雜效應(yīng))

· SAW諧振腔(IDT)：工作頻率259.75 MHz，品質(zhì)因數(shù)Q=1850，輸出信號(hào)由OE2052檢測(cè)，需匹配輸入阻抗(典型50 Ω)

· TBG器件：機(jī)械剝離法制備1.04°扭曲雙層石墨烯，hBN封裝(20 nm)，在低溫(1.8 K)環(huán)境工作，OE2052檢測(cè)其調(diào)制的SAW信號(hào)

圖1.(a)帶有諧振腔型 IDT 的 TBG 器件示意圖

(b)Y 型切割 NbLiO3 基底面上的 TBG 器件橫截面圖

測(cè)量系統(tǒng)搭建

圖2. 測(cè)量系統(tǒng)示意圖

★ 關(guān)鍵步驟：

1. 信號(hào)同步：

OE2052的參考輸入端連接射頻信號(hào)源，鎖定SAW頻率(259.75 MHz)

2. 降頻處理

使用混頻器將高頻SAW信號(hào)降頻至OE2052最佳檢測(cè)范圍，提升信噪比，避免高頻損耗

3. 參數(shù)提取

直接測(cè)量VSAW幅度(衰減 Γ)和相對(duì)于V0的相位差 Δθ(聲速變化 Δυ/υ)

4. 噪聲抑制

利用OE2052的高動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備(>120dB)和低輸入噪聲(<4nV/√Hz)，在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境(14T磁場(chǎng))下穩(wěn)定工作，得到聲表面波測(cè)量結(jié)果(圖3、圖4)

圖3. 在B=14T時(shí)，CNP附近測(cè)得的聲表面波相移和經(jīng)度電阻的比較

圖4. 通過(guò)聲表面波傳輸?shù)碾妷旱臍w一化相位與摩爾填充因子和垂直磁場(chǎng)的函數(shù)關(guān)系

★ 信號(hào)檢測(cè)原理：

1. 相移測(cè)量(對(duì)應(yīng)聲速變化)：

· OE2052配置：時(shí)間常數(shù) τ=1s，等效噪聲帶寬 ENBW=0.25 Hz

· 靈敏度：可檢測(cè)0.01°相移(對(duì)應(yīng) σ_ω ≈ 10-7S變化)

2. 衰減測(cè)量(對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率)：

Γ ∝V0/ Vsaw（峰值靈敏度在σω= σm）

★ 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)：

· 非接觸測(cè)量：僅需單點(diǎn)接地電極，避免傳統(tǒng)輸運(yùn)測(cè)量的歐姆接觸問(wèn)題

· 高信噪比：在9T強(qiáng)磁場(chǎng)下仍可分辨ν_L=-1朗道能級(jí)(傳統(tǒng)輸運(yùn)無(wú)法檢測(cè))

· 動(dòng)態(tài)響應(yīng)：通過(guò)柵壓掃描實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)填充因子 ν 與高頻電導(dǎo)率 σ_ω(圖5)

圖5. 通過(guò)聲表面波計(jì)算的高頻電導(dǎo)率，

(a)縱向傳輸電阻率 ρxx(黑色)和聲表面波重建電阻率 ρω，頻率為 fc = 259.75 MHz(紅色)，由聲表面波相移計(jì)算得出，是零磁場(chǎng)下摩爾填充因子 v 的函數(shù)

(b)磁場(chǎng)下 v = +2 時(shí)的縱向電導(dǎo)率 σxx 和聲表面波重構(gòu)電導(dǎo)率 σω

(c)在零磁場(chǎng)下，v = +2 和 +4 時(shí)，ρxx 和 ρω 作為聲功率 P 的函數(shù)的比較

(d)電子在 Enk 和 Emk 之間轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的直流帶間電導(dǎo)率

(e)Enk 和 Emk ± ΔEω 之間電子轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的交流帶間電導(dǎo)率;與 nF(Emk)相比，半填充時(shí)的小平帶色散導(dǎo)致 nF(Emk±ΔEω)顯著降低，從而抑制了高頻電導(dǎo)率

由于頻帶色散較大，交流電導(dǎo)率沒(méi)有受到影響。

總結(jié)

OE2052高靈敏鎖相放大器在SAW-莫爾系統(tǒng)研究中展現(xiàn)出三大革命性優(yōu)勢(shì)：

■ 極限靈敏度：在低電導(dǎo)區(qū)域(10-6 S/m)信噪比提升100倍，成功探測(cè)"隱藏"量子態(tài)

■ 非接觸式測(cè)量：避免納米電極制備難題，特別適用于絕緣/半導(dǎo)態(tài)莫爾材料

■ 高頻電導(dǎo)解析：提供259.75 MHz射頻電導(dǎo)數(shù)據(jù)，揭示平帶躍遷的量子幾何效應(yīng)

該工作為研究扭曲二維材料(如MoTe2, WSe2)中的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(yīng)開辟了新范式，相關(guān)技術(shù)已應(yīng)用于上海量子科學(xué)研究中心。

審核編輯 黃宇