Rastersonde mit einer Verdrehung beobachtet das wellenartige Verhalten des Elektrons

Wenn das Rastertunnelmikroskop in den 1980er Jahren debütierte, war das Ergebnis eine Explosion in der Nanotechnologie und der Quantengeräteforschung. Seitdem wurden andere Arten von Rastersondenmikroskopen entwickelt, und zusammen haben sie den Forschern geholfen, Theorien zum Elektronentransport zu konkretisieren. Aber diese Techniken untersuchen Elektronen an einem einzigen Punkt und beobachten sie dadurch als Teilchen und sehen ihre Wellennatur nur indirekt. Nun haben Forscher des Weizmann Institute of Science in Israel eine neue Rastersonde – das Quanten-Twisting-Mikroskop – gebaut, das die Quantenwelleneigenschaften von Elektronen direkt erfasst.

„Es ist praktisch eine Abtastsondenspitze mit einem Interferometer an der Spitze“, sagt er Shahal Ilani, der Teamleiter. Die Forscher überziehen eine Rastersondenspitze mit ultradünnem Graphit, hexagonalem Bornitrid und einem Van-der-Waals-Kristall wie Graphen, die bequem wie ein Zelt mit einer flachen Oberseite von etwa 200 nm Durchmesser über die Spitze fallen. Das flache Ende ist der Schlüssel zur Interferometerfunktion des Geräts. Anstatt dass ein Elektron zwischen einem Punkt in der Probe und der Spitze tunnelt, kann die Elektronenwellenfunktion an mehreren Punkten gleichzeitig tunneln.

„Überraschenderweise haben wir festgestellt, dass sich das flache Ende auf natürliche Weise dreht, sodass es immer parallel zur Probe ist“, sagt er Johann Birkbeck, der korrespondierende Autor eines Artikels, der diese Arbeit beschreibt. Dies ist ein Glücksfall, da jede Neigung den Tunnelabstand und damit die Stärke von einer Seite des Plateaus zur anderen verändern würde. „Es ist die Interferenz dieser Tunnelpfade, wie sie im gemessenen Strom identifiziert wird, die dem Gerät seine einzigartige Quantenwellen-Untersuchungsfunktion verleiht“, sagt Birkbeck.

Doppelspaltexperiment

Diese Interferenz ist analog zu den Effekten, wenn Elektronen auf einen Schirm mit zwei Schlitzen geschossen werden, wie das berühmte Doppelspalt-Experiment von Young Erez Berg erklärt. Berg, zusammen mit Ady Stern, Binhai Yan und Yuval Oregon leitete das theoretische Verständnis des neuen Instruments.

Wenn man misst, durch welchen Spalt das Teilchen geht – wie bei den Messungen anderer Rastersondentechniken – geht das Wellenverhalten verloren und man sieht nur noch das Teilchen. Lässt man das Teilchen jedoch unentdeckt passieren, erzeugen die beiden verfügbaren Pfade ein Muster aus konstruktiver und destruktiver Interferenz, ähnlich den Wellen, die von zwei Kieselsteinen ausgehen, die nebeneinander in einen Teich fallen.

„Da das Elektron nur dort tunneln kann, wo sein Impuls zwischen Sonde und Probe übereinstimmt, misst das Gerät direkt diesen Parameter, der für Theorien zur Erklärung des kollektiven Elektronenverhaltens von entscheidender Bedeutung ist“, sagt Berg.

Tatsächlich geht die Idee, den Impuls eines Elektrons unter Verwendung der Interferenz seiner verfügbaren Tunnelwege zu messen, auf die Arbeit von zurück Jim Eisenstein am Caltech in den 1990er Jahren. Die Weizmann-Forscher schalten jedoch dank zweier explosiver Entwicklungen seither mit einigen wichtigen Innovationen einige Gänge höher. Dies sind die die Isolierung von Graphen Anregung zur Erforschung ähnlicher atomar dünner Van-der-Waals-Kristalle; und die nachfolgenden experimentell beobachtete Auswirkungen einer Verdrehung in der Orientierung von geschichteten Van-der-Waals-Materialien.

Wenn sie mit einer Drehung übereinandergelegt werden, bilden Materialien wie Graphen ein Moiré-Gitter, so benannt nach Textilien, bei denen die Maschen des Stoffes leicht außer Deckung sind und lustige Effekte auf Ihre Augen haben. Die Elektronen in diesen Moiré-2D-Materialien werden dem Potential dieses zusätzlichen künstlichen Moiré-Gitters ausgesetzt, dessen Periode durch den Verdrillungswinkel bestimmt wird. Daher ermöglicht das Verdrehen durch die relativen Winkel zwischen zwei Schichten von Van-der-Waals-Kristallen mit einem piezoelektrischen Rotator auf dem Quantenverdrehungsmikroskop, einen viel größeren Impulsbereich zu messen als es mit den zuvor verwendeten Magnetfeldern möglich war, sowie viele zu erforschen auch andere elektronische Phänomene. Das nette Gerät macht es auch einfach, eine Reihe verschiedener Van-der-Waals-Kristalle und anderer Quantenmaterialien zu untersuchen.

Vom Problem zur Lösung

Nach der Entdeckung von Verdrehungseffekten waren die Menschen daran interessiert, mit Materialien mit unterschiedlichen Verdrehungswinkeln zu experimentieren. Allerdings mussten sie den mühevollen Prozess durchlaufen, jedes Gerät für jeden Drehwinkel neu herzustellen. Obwohl es möglich war, Winkel durch ein einzelnes Gerät zu drehen, neigt die Drehung dazu, in bestimmten Winkeln blockiert zu werden, wo das Spiel für das Experiment im Grunde genommen vorbei ist. Beim Quantenverdrehungsmikroskop haftet das atomar dünne Material an der Spitze sowohl an den Spitzenseiten als auch am Ende stark an, so dass die Nettokräfte die Anziehung zwischen den beiden Van-der-Waal-Kristallschichten von Sonde und Probe auch bei diesen leicht überwiegen attraktivsten Verdrehwinkel. Solche Fertigungsherausforderungen hatten sich die Weizmann-Forscher ursprünglich vorgenommen.

Entdeckung von „Magic-Winkel-Graphen“, das sich wie ein Hochtemperatur-Supraleiter verhält Physik-Welt Durchbruch des Jahres 2018

Twisted-Graphen-Pionier Cory Dekan, der nicht an dieser Forschung beteiligt war, beschreibt, wie einige der detailliertesten Erkenntnisse über Twisted-Layer-Systeme durch Rastersonden über sie erzielt werden. Auf diese Weise kann jede Region mit ihrer einzigartigen, wenn auch unkontrollierten Wendung identifiziert und als ihr eigenes Gerät behandelt werden. „Mit dem Weizmann-Ansatz haben sie diesen Schritt in eine wirklich kreative neue Richtung gemacht, bei der die Steuerung des Drehwinkels und die spektroskopische Analyse in dieselbe Plattform integriert sind“, sagt Dean von der Columbia University. „Diese Idee, dass das Gerät auch das Instrument ist, ist eine seltene und aufregende Kombination in Systemen mit kondensierter Materie.“ Er betont auch, dass das Gerät nicht auf Twisted-Layer-Systeme beschränkt ist.

Ilani sagt über die Erfindung seines Teams: „Um ehrlich zu sein, entdecken wir jede Woche eine neue Art von Messung, die man mit dem Quantendrehmikroskop durchführen kann – es ist ein sehr vielseitiges Werkzeug“. Beispielsweise können die Forscher die Spitze auch nach unten drücken, um die Auswirkungen von Druck zu untersuchen, der den Abstand zwischen den Van-der-Waals-Schichten verringert. „Es gibt Experimente mit 2D-Materialien, die mit Druck durchgeführt werden, auch im Zusammenhang mit Graphen mit magischem Winkel“, sagt Birkbeck und verweist auf Experimente mit Kolben in Ölkammern, die auf niedrige Temperaturen getaucht wurden und für jeden Druckwert von Grund auf neu eingestellt werden müssen. „Wir haben vergleichbare Drücke mit dem Quanten-Twisting-Mikroskop erreicht, aber jetzt mit der Fähigkeit, es schnell und kontinuierlich abzustimmen in situ"

Die Ergebnisse werden in berichtet Natur.

• SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
• Platoblockkette. Web3-Metaverse-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
• Quelle: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/