Scanningssonde med et twist observerer elektronens bølgelignende adfærd

Når scanning tunneling mikroskop fik sin debut i 1980'erne, var resultatet en eksplosion i nanoteknologi og forskning i kvanteudstyr. Siden da er der udviklet andre typer scanning-probe-mikroskoper, og sammen har de hjulpet forskere med at konkretisere teorier om elektrontransport. Men disse teknikker sonderer elektroner på et enkelt punkt og observerer dem derved som partikler og ser kun deres bølgenatur indirekte. Nu har forskere ved Weizmann Institute of Science i Israel bygget en ny scanningssonde – kvantevridningsmikroskopet – der detekterer elektronernes kvantebølgekarakteristika direkte.

"Det er faktisk en scanningssondespids med et interferometer i spidsen," siger Shahal Ilani, teamlederen. Forskerne overlejrer en scanningssondespids med ultratynd grafit, sekskantet bornitrid og en van der Waals-krystal såsom grafen, der bekvemt klapper over spidsen som et telt med en flad top på omkring 200 nm på tværs. Den flade ende er nøglen til enhedens interferometerfunktion. I stedet for en elektrontunnel mellem et punkt i prøven og spidsen, kan elektronbølgefunktionen tunnelere på tværs af flere punkter samtidigt.

"Ganske overraskende fandt vi ud af, at den flade ende naturligt drejer, så den altid er parallel med prøven," siger John Birkbeck, den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver dette arbejde. Dette er heldigt, fordi enhver hældning ville ændre tunnelafstanden og dermed styrken fra den ene side af plateauet til den anden. "Det er interferensen af ​​disse tunnelstier, som identificeret i den målte strøm, der giver enheden dens unikke kvantebølge-probing-funktion," siger Birkbeck.

Dobbeltspaltet eksperiment

Denne interferens er analog med virkningerne af at affyre elektroner mod en skærm med to spalter i, som det berømte Youngs dobbeltspalteeksperiment, som Erez Berg forklarer. Berg sammen med Ady Stern, Binghai Yan , Yuval Oreg ledet den teoretiske forståelse af det nye instrument.

Hvis du måler, hvilken spalte partiklen passerer igennem - ligesom hvad der sker med målingerne af andre scanningssondeteknikker - går bølgeadfærden tabt, og alt du ser er partiklen. Men hvis du lader partiklen passere med dens krydsende position uopdaget, producerer de to tilgængelige stier et mønster af konstruktiv og destruktiv interferens som bølgerne, der bølger ud fra to småsten faldet i en dam side om side.

"Da elektronen kun kan tunnelere, hvor dens momentum passer mellem sonden og prøven, måler enheden direkte denne parameter, som er nøglen til teorier, der forklarer kollektiv elektronadfærd," siger Berg.

Faktisk går ideen om at måle en elektrons momentum ved hjælp af interferensen fra dens tilgængelige tunnelruter tilbage til arbejdet med Jim Eisenstein hos Caltech i 1990'erne. Weizmann-forskerne flytter dog tingene flere gear med nogle vigtige innovationer takket være to eksplosive udviklinger siden. Disse er isolationen af ​​grafen tilskyndelse til forskning i lignende atomisk tynde van der Waals-krystaller; og den efterfølgende eksperimentelt observerede effekter af et twist i orienteringen af ​​lagdelte van der Waals materialer.

Når de er lagdelt med et twist, danner materialer som grafen et moiré-gitter, så opkaldt efter tekstiler, hvor stoffets mesh er lidt ude af register og har sjove effekter på dine øjne. Elektronerne i disse moiré 2D-materialer udsættes for potentialet af dette ekstra kunstige moiré-gitter, som har en periode bestemt af snoningsvinklen. Derfor gør drejning gennem de relative vinkler mellem to lag af van der Waals krystal ved hjælp af en piezoelektrisk rotator på kvantedrejemikroskopet det muligt at måle et meget bredere område i momentum, end det var muligt med de tidligere anvendte magnetfelter, såvel som at udforske mange også andre elektroniske fænomener. Den natty-enhed gør det også nemt at studere en række forskellige van der Waals-krystaller og andre kvantematerialer.

Fra problem til løsning

Efter opdagelsen af ​​vridningseffekter var folk ivrige efter at eksperimentere med materialer i forskellige vridningsvinkler. Men de var nødt til at gennemgå den møjsommelige proces med at producere hver enhed på ny for hver snoningsvinkel. Selvom det havde været muligt at vride gennem vinkler er en enkelt enhed, har vridningen en tendens til at blive låst i visse vinkler, hvor det dybest set er spillet over for eksperimentet. I kvantesnoningsmikroskopet har det atomare tynde materiale på spidsen stærk vedhæftning langs spidssiderne såvel som enden, så nettokræfterne let opvejer tiltrækningen mellem de to van der Waal-krystallag af sonde og prøve, selv for disse mest attraktive vridningsvinkler. Det var fabrikationsudfordringer som disse, Weizmann-forskerne oprindeligt havde sat sig for at tackle.

Opdagelse af 'magic-angle graphene', der opfører sig som en højtemperatur superleder er Fysik verden Årets gennembrud 2018

Snoet grafen pioner Cory Dean, som ikke var involveret i denne forskning, beskriver, hvordan noget af den mest detaljerede forståelse af snoede lagsystemer kommer fra scanning af sonder over dem. På denne måde kan hver region med sit unikke omend ukontrollerede twist identificeres og behandles som sin egen enhed. "I Weizmann-tilgangen har de taget dette skridt til en virkelig kreativ ny retning, hvor vridningsvinkelstyringen og spektroskopisk analyse er integreret i den samme platform," siger Dean, der er ved Columbia University. "Denne idé, at enheden også er instrumentet, er en sjælden og spændende kombination i kondenseret stof-systemer." Han fremhæver også, at enheden ikke er begrænset til snoede lagsystemer.

Ilani siger om sit teams opfindelse: "For at være ærlig, opdager vi hver uge en ny type måling, som du kan udføre med kvantedrejemikroskopet - det er et meget alsidigt værktøj". For eksempel kan forskerne også trykke spidsen ned for at udforske virkningerne af tryk, som mindsker afstanden mellem van der Waals lag. "Der er eksperimenter på 2D-materialer udført med tryk, også i forbindelse med magisk vinkelgrafen," siger Birkbeck, mens han refererer til eksperimenter med stempler i oliekamre, der er dykket til lave temperaturer, som skal nulstilles fra bunden for hver trykværdi. "Vi har nået sammenlignelige tryk med kvantedrejemikroskopet, men nu med evnen til hurtigt og kontinuerligt at tune det on-site".

Resultaterne er rapporteret i Natur.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/