يراقب مسبار المسح مع الالتواء السلوك الموجي للإلكترون

عندما مجهر المسح النفقي ظهرت لأول مرة في الثمانينيات ، وكانت النتيجة انفجارًا في تكنولوجيا النانو وأبحاث الأجهزة الكمومية. منذ ذلك الحين ، تم تطوير أنواع أخرى من مجاهر مجسات المسح وساعدوا معًا الباحثين في بلورة نظريات نقل الإلكترون. لكن هذه التقنيات تستكشف الإلكترونات في نقطة واحدة ، وبالتالي تراقبها كجسيمات ولا ترى إلا طبيعة موجاتها بشكل غير مباشر. الآن ، قام باحثون في معهد وايزمان للعلوم في إسرائيل ببناء مسبار مسح جديد - مجهر التواء الكم - الذي يكتشف خصائص الموجة الكمومية للإلكترونات مباشرة.

"إنه بشكل فعال طرف مسبار مسح مع وجود مقياس تداخل في قمته" ، كما يقول شاهال إيلاني، قائد الفريق. قام الباحثون بتراكب طرف مسبار المسح مع الجرافيت الرقيق للغاية ونتريد البورون السداسي وكريستال فان دير فالس مثل الجرافين ، والذي يتخبط بسهولة فوق الطرف مثل خيمة ذات سطح مسطح يبلغ قطره حوالي 200 نانومتر. الطرف المسطح هو مفتاح وظيفة مقياس التداخل بالجهاز. بدلاً من نفق الإلكترون بين نقطة واحدة في العينة والطرف ، يمكن لوظيفة موجة الإلكترون أن تمر عبر عدة نقاط في وقت واحد.

يقول "من المدهش تمامًا أننا وجدنا أن النهاية المسطحة تدور بشكل طبيعي بحيث تكون دائمًا موازية للعينة" جون بيركبيك، المؤلف المقابل للورقة التي تصف هذا العمل. هذا أمر محظوظ لأن أي ميل من شأنه أن يغير مسافة النفق وبالتالي القوة من جانب واحد من الهضبة إلى الجانب الآخر. يقول بيركبيك: "إن تداخل مسارات النفق هذه ، كما هو محدد في التيار المقاس ، هو الذي يمنح الجهاز وظيفته الفريدة في فحص الموجة الكمومية".

تجربة الشق المزدوج

هذا التداخل مشابه لتأثيرات إطلاق الإلكترونات على شاشة بها شقان ، مثل تجربة يونغ الشهيرة ذات الشق المزدوج ، حيث ايريز بيرج يشرح. بيرج مع آدي ستيرن, بينغاي يان و يوفال أوريغ قاد الفهم النظري للأداة الجديدة.

إذا قمت بقياس الشق الذي يمر به الجسيم - مثل ما يحدث مع قياسات تقنيات مسبار المسح الأخرى - فسيتم فقد سلوك الموجة وكل ما تراه هو الجسيم. ومع ذلك ، إذا تركت الجسيم يمر دون أن يتم اكتشاف موضع التقاطع ، فإن المسارين المتاحين ينتجان نمطًا من التداخل البناء والمدمّر مثل الموجات التي تتموج من حصاتين سقطتا في بركة جنبًا إلى جنب.

يقول بيرج: "نظرًا لأن الإلكترون يمكنه فقط حفر نفق حيث يتطابق زخمه بين المجس والعينة ، فإن الجهاز يقيس مباشرةً هذه المعلمة ، وهو أمر أساسي للنظريات التي تشرح السلوك الجماعي للإلكترون".

في الواقع ، تعود فكرة قياس زخم الإلكترون باستخدام تداخل مسارات النفق المتاحة إلى عمل جيم آيزنشتاين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في التسعينيات. ومع ذلك ، قام باحثو وايزمان بتحريك الأمور عدة مرات مع بعض الابتكارات الرئيسية بفضل تطورين متفجرين منذ ذلك الحين. هذه هي عزل الجرافين تحفيز البحث في بلورات فان دير فالس الرقيقة ذريًا المماثلة ؛ وما يليها تجريبيا لوحظ آثار تطور في اتجاه مواد فان دير فال ذات الطبقات.

عند وضعها في طبقات مع تطور ، تشكل المواد مثل الجرافين شبكة تموج في النسيج ، سميت بهذا الاسم نسبة إلى المنسوجات حيث تكون شبكة القماش غير قابلة للتسجيل قليلاً ولها تأثيرات مضحكة على عينيك. تخضع الإلكترونات الموجودة في هذه المواد ثنائية الأبعاد للتموج في النسيج لإمكانات شبكة التموج الاصطناعية الإضافية هذه ، والتي لها فترة تحددها زاوية الالتواء. ومن ثم ، فإن التواء من خلال الزوايا النسبية بين طبقتين من بلورة فان دير فال باستخدام محور دوار كهرضغطية على مجهر التواء الكم ، يجعل من الممكن قياس نطاق أوسع بكثير في الزخم مما كان ممكنًا مع الحقول المغناطيسية المستخدمة سابقًا ، بالإضافة إلى استكشاف العديد من المجالات. ظواهر إلكترونية أخرى أيضًا. يجعل الجهاز الطبيعي أيضًا من السهل دراسة مجموعة من بلورات فان دير فالس ومواد كمومية أخرى.

من مشكلة إلى حل

بعد اكتشاف تأثيرات الالتواء ، حرص الناس على تجربة المواد بزوايا مختلفة. ومع ذلك ، كان عليهم أن يمروا بعملية شاقة لإنتاج كل جهاز من جديد لكل زاوية انحناء. على الرغم من أنه كان من الممكن الالتفاف عبر الزوايا في جهاز واحد ، إلا أن الالتواء يميل إلى الانغلاق في زوايا معينة حيث تنتهي اللعبة أساسًا للتجربة. في مجهر التواء الكمي ، تتميز المادة الرقيقة ذريًا الموجودة على الطرف بالتصاق قوي على طول جوانب الطرف وكذلك النهاية ، بحيث تفوق قوى الشبكة بسهولة التجاذب بين طبقتين بلورات فان دير وال للمسبار والعينة ، حتى بالنسبة لهذين زوايا الالتواء الأكثر جاذبية. كانت تحديات التصنيع مثل هذه هي التي شرع باحثو وايزمان في معالجتها في الأصل.

اكتشاف "الجرافين ذو الزاوية السحرية" الذي يتصرف مثل الموصل الفائق عالي الحرارة هو عالم الفيزياء 2018 اختراق العام

الملتوية رائد الجرافين كوري دين، الذي لم يشارك في هذا البحث ، يصف كيف أن بعض الفهم الأكثر تفصيلاً لأنظمة الطبقات الملتوية يأتي من مسح المجسات عليها. بهذه الطريقة ، يمكن تحديد كل منطقة مع تطورها الفريد ، وإن كان غير متحكم فيه ، ومعالجتها كجهاز خاص بها. "في نهج وايزمان ، اتخذوا هذه الخطوة إلى اتجاه جديد مبدع حقًا حيث تم دمج التحكم في زاوية الالتواء والتحليل الطيفي في نفس المنصة" ، كما يقول دين ، بجامعة كولومبيا. "هذه الفكرة ، أن الجهاز هو أيضًا أداة ، هي مزيج نادر ومثير في أنظمة المادة المكثفة." كما يسلط الضوء على أن الجهاز لا يقتصر على أنظمة الطبقات الملتوية.

يقول إيلاني عن اختراع فريقه ، "لكي نكون صادقين كل أسبوع نكتشف نوعًا جديدًا من القياس يمكنك القيام به باستخدام مجهر التواء الكم - إنه أداة متعددة الاستخدامات للغاية". على سبيل المثال ، يمكن للباحثين أيضًا الضغط على الطرف لأسفل لاستكشاف تأثيرات الضغط ، مما يقلل المسافة بين طبقات فان دير فالس. يقول بيركبيك: "هناك تجارب على مواد ثنائية الأبعاد تم إجراؤها بالضغط ، أيضًا في سياق الجرافين ذي الزاوية السحرية" ، كما يشير إلى تجارب المكابس في غرف الزيت المنغمسة في درجات حرارة منخفضة تحتاج إلى إعادة ضبطها من نقطة الصفر لكل قيمة ضغط. "لقد وصلنا إلى ضغوط مماثلة باستخدام مجهر التواء الكم ، ولكن الآن مع القدرة على ضبطه بسرعة وباستمرار فى الموقع".

تم الإبلاغ عن النتائج في الطبيعة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/