1976 年，著名物理学家 Rolf Landauer 考虑到电输运的量子效应，提出了一个重要的理论预言（Phys. Rev. B 14,1474 (1976)）：当电流经过一个带电杂质时，电子在杂质附近将重新分布，在纳米尺度上形成一个微小的电偶极子（electric dipole）。这个偶极子不仅记录着电流流动的方向，还能够直接反映杂质电荷的带电性——正电荷杂质引起的电偶极子与电流方向相同，而负电荷杂质引起的电偶极子与电流方向相反。这一现象又被称为载流子密度调制（Carrier Density Modulation, CDM）效应。这一微观理论可以解释带电杂质对导体宏观电输运的影响。然而，该理论预言的电偶极子一直没有得到实验验证，其中实验困难在于需要在原子尺度上测量仅有几纳米空间范围内亚毫伏的局域电势变化。

清华大学博士生刘耀伍（已毕业）、张子淳在季帅华教授和薛其坤院士指导下，利用前期自主研制的低温多探针扫描隧道电势显微镜 (Rev. Sci. Instrum. 90, 093703 (2019))，研究了外延双层石墨烯中两种带电极性杂质的散射过程，首次观察到了单个带电杂质周围由电流诱导形成的电偶极子，并发现了电偶极子方向与杂质带电极性的关联效应（图1），直接验证了 Landauer的理论预言。更进一步，研究团队还通过改变局域电流方向实现了对偶极子方向的微观调控。近日，该研究成果以“单个带电杂质载流子密度调制效应的直接观测”（Direct visualization of carrier density modulation effect around individual charged impurities）为题，在线发表于《美国科学院院刊》 （Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。此外，该成果也被 Nature Physics 以 News & Views 形式报道 (Current dipoles. Nat. Phys. 22, 1379 (2026))。

图1 原子尺度带电杂质CDM偶极子的直接观测。(a) 测量电路示意图，(b) 带正电杂质STM形貌图，(c) 带正电杂质周围电势分布图，(d) 带负电杂质STM形貌图，(e) 带正电杂质周围电势分布图。

这项工作首次实现了单个带电杂质周围电势的测量，揭示了玻尔兹曼平均场理论无法描述的微观量子输运图像，并将局域电子结构与宏观输运性质建立起直接联系，为未来电子学器件量子输运研究奠定重要实验基础。更重要的是，多探针扫描隧道电势显微术为研究复杂量子材料打开了一扇新的窗口。这一技术有望用于拓扑绝缘体、超导体和强关联电子体系等中的微观输运研究，从而帮助人们在原子尺度理解各种新奇量子态的输运机制。

清华大学物理系2017级博士生刘耀伍(目前在韩国Institute for Basic Science (IBS) Center for Quantum Nanoscience (QNS)做博士后研究)与2020级博士生张子淳为文章的共同第一作者，清华物理系季帅华教授为文章的通讯作者，合作者还包括段文晖院士和陈曦教授。该研究得到了国家科技重大专项、国家自然科学基金等项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2536207123

Nature Physics 报道链接：https://www.nature.com/articles/s41567-026-03461-7