Ο ανιχνευτής σάρωσης με μια συστροφή παρατηρεί την κυματική συμπεριφορά του ηλεκτρονίου

Όταν ο μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας έκανε το ντεμπούτο του τη δεκαετία του 1980, το αποτέλεσμα ήταν μια έκρηξη στη νανοτεχνολογία και την έρευνα κβαντικών συσκευών. Έκτοτε, άλλοι τύποι μικροσκοπίων ανιχνευτών σάρωσης έχουν αναπτυχθεί και μαζί έχουν βοηθήσει τους ερευνητές να εμπλουτίσουν τις θεωρίες για τη μεταφορά ηλεκτρονίων. Αλλά αυτές οι τεχνικές ανιχνεύουν τα ηλεκτρόνια σε ένα μόνο σημείο, παρατηρώντας τα ως σωματίδια και βλέποντας μόνο την κυματική τους φύση έμμεσα. Τώρα, ερευνητές στο Ινστιτούτο Επιστήμης Weizmann στο Ισραήλ κατασκεύασαν έναν νέο ανιχνευτή σάρωσης - το μικροσκόπιο κβαντικής συστροφής - που ανιχνεύει άμεσα τα χαρακτηριστικά κβαντικών κυμάτων των ηλεκτρονίων.

"Είναι ουσιαστικά μια άκρη ανιχνευτή σάρωσης με ένα συμβολόμετρο στην κορυφή του", λέει Σαχάλ Ιλάνι, ο αρχηγός της ομάδας. Οι ερευνητές επικαλύπτουν ένα άκρο ανιχνευτή σάρωσης με εξαιρετικά λεπτό γραφίτη, εξαγωνικό νιτρίδιο βορίου και έναν κρύσταλλο van der Waals, όπως το γραφένιο, που βολικά πέφτουν πάνω από το άκρο σαν μια σκηνή με μια επίπεδη κορυφή πλάτους περίπου 200 nm. Το επίπεδο άκρο είναι το κλειδί για τη λειτουργία συμβολόμετρου της συσκευής. Αντί για μια σήραγγα ηλεκτρονίων μεταξύ ενός σημείου του δείγματος και της κορυφής, η συνάρτηση κύματος ηλεκτρονίων μπορεί να διασχίσει σε πολλά σημεία ταυτόχρονα.

«Ακόμη παραδόξως διαπιστώσαμε ότι το επίπεδο άκρο περιστρέφεται φυσικά έτσι ώστε να είναι πάντα παράλληλο με το δείγμα», λέει. Τζον Μπέρκμπεκ, ο αντίστοιχος συγγραφέας μιας εργασίας που περιγράφει αυτό το έργο. Αυτό είναι τυχερό γιατί οποιαδήποτε κλίση θα άλλαζε την απόσταση διάνοιξης σήραγγας και συνεπώς την ισχύ από τη μια πλευρά του οροπεδίου στην άλλη. «Είναι η παρεμβολή αυτών των διαδρομών σήραγγας, όπως προσδιορίζεται στο μετρούμενο ρεύμα, που δίνει στη συσκευή τη μοναδική λειτουργία ανίχνευσης κβαντικών κυμάτων», λέει ο Birkbeck.

Πείραμα διπλής σχισμής

Αυτή η παρεμβολή είναι ανάλογη με τα αποτελέσματα της πυροδότησης ηλεκτρονίων σε μια οθόνη με δύο σχισμές, όπως το περίφημο πείραμα διπλής σχισμής του Young, όπως Έρεζ Μπεργκ εξηγεί. Berg, μαζί με Άντι Στερν, Μπινγκάι Γιαν και Γιουβάλ Όρεγκ οδήγησε στη θεωρητική κατανόηση του νέου οργάνου.

Εάν μετρήσετε από ποια σχισμή διέρχεται το σωματίδιο – όπως αυτό που συμβαίνει με τις μετρήσεις άλλων τεχνικών ανιχνευτών σάρωσης – η συμπεριφορά του κύματος χάνεται και το μόνο που βλέπετε είναι το σωματίδιο. Ωστόσο, εάν αφήσετε το σωματίδιο να περάσει με τη θέση διέλευσης του απαρατήρητη, τα δύο διαθέσιμα μονοπάτια παράγουν ένα μοτίβο εποικοδομητικής και καταστροφικής παρεμβολής όπως τα κύματα που κυματίζουν από δύο βότσαλα που πέφτουν σε μια λίμνη δίπλα-δίπλα.

«Δεδομένου ότι το ηλεκτρόνιο μπορεί να διοχετεύσει μόνο εκεί όπου η ορμή του ταιριάζει μεταξύ του ανιχνευτή και του δείγματος, η συσκευή μετρά άμεσα αυτήν την παράμετρο, η οποία είναι βασική για τις θεωρίες που εξηγούν τη συλλογική συμπεριφορά ηλεκτρονίων», λέει ο Berg.

Στην πραγματικότητα, η ιδέα της μέτρησης της ορμής ενός ηλεκτρονίου χρησιμοποιώντας την παρεμβολή των διαθέσιμων διαδρομών σήραγγας χρονολογείται από το έργο του Ο Jim Eisenstein στο Caltech τη δεκαετία του 1990. Ωστόσο, οι ερευνητές του Weizmann ανεβάζουν τα πράγματα με μερικές βασικές καινοτομίες χάρη σε δύο εκρηκτικές εξελίξεις έκτοτε. Αυτά είναι τα η απομόνωση του γραφενίου προτροπή έρευνας σε παρόμοιους ατομικά λεπτούς κρυστάλλους van der Waals. και τα επόμενα πειραματικά παρατηρούμενα αποτελέσματα μιας συστροφής στον προσανατολισμό των στρωμένων υλικών van der Waals.

Όταν στρώνονται με μια συστροφή, υλικά όπως το γραφένιο σχηματίζουν ένα πλέγμα moiré, το οποίο ονομάστηκε έτσι από τα υφάσματα, όπου το πλέγμα του υφάσματος είναι ελαφρώς εκτός εγγραφής και έχει αστεία αποτελέσματα στα μάτια σας. Τα ηλεκτρόνια σε αυτά τα δισδιάστατα υλικά moiré υπόκεινται στο δυναμικό αυτού του πρόσθετου τεχνητού πλέγματος moiré, το οποίο έχει μια περίοδο που καθορίζεται από τη γωνία συστροφής. Ως εκ τούτου, η συστροφή μέσω των σχετικών γωνιών μεταξύ δύο στρωμάτων κρυστάλλου van der Waals χρησιμοποιώντας έναν πιεζοηλεκτρικό στροφέα στο κβαντικό μικροσκόπιο συστροφής, καθιστά δυνατή τη μέτρηση ενός πολύ μεγαλύτερου εύρους ορμής από ό,τι ήταν δυνατό με τα μαγνητικά πεδία που χρησιμοποιήθηκαν προηγουμένως, καθώς και την εξερεύνηση πολλών και άλλα ηλεκτρονικά φαινόμενα. Η natty συσκευή καθιστά επίσης εύκολη τη μελέτη μιας σειράς διαφορετικών κρυστάλλων van der Waals και άλλων κβαντικών υλικών.

Από πρόβλημα σε λύση

Μετά την ανακάλυψη των εφέ συστροφής, οι άνθρωποι ήθελαν να πειραματιστούν με υλικά σε διαφορετικές γωνίες συστροφής. Ωστόσο, έπρεπε να περάσουν από την επίπονη διαδικασία παραγωγής εκ νέου κάθε συσκευής για κάθε γωνία συστροφής. Αν και ήταν δυνατή η περιστροφή μέσω γωνιών είναι μια ενιαία συσκευή, η συστροφή τείνει να κλειδώνεται σε ορισμένες γωνίες όπου, ουσιαστικά έχει τελειώσει το παιχνίδι για το πείραμα. Στο μικροσκόπιο κβαντικής συστροφής το ατομικά λεπτό υλικό στο άκρο έχει ισχυρή πρόσφυση κατά μήκος των πλευρών του άκρου καθώς και στο άκρο, έτσι ώστε οι καθαρές δυνάμεις να ξεπερνούν εύκολα την έλξη μεταξύ των δύο στρωμάτων κρυστάλλου van der Waal του ανιχνευτή και του δείγματος. πιο ελκυστικές γωνίες συστροφής. Ήταν προκλήσεις κατασκευής όπως αυτές που οι ερευνητές του Weizmann είχαν αρχικά ξεκινήσει να αντιμετωπίσουν.

Η ανακάλυψη του «γραφενίου με μαγική γωνία» που συμπεριφέρεται σαν υπεραγωγός υψηλής θερμοκρασίας είναι Κόσμος Φυσικής Ανακάλυψη της χρονιάς 2018

Πρωτοπόρος στο στριφτό γραφένιο Κόρι Ντιν, ο οποίος δεν συμμετείχε σε αυτήν την έρευνα, περιγράφει πώς μερικές από τις πιο λεπτομερείς γνώσεις των συστημάτων συνεστραμμένου στρώματος προέρχονται από ανιχνευτές σάρωσης πάνω τους. Με αυτόν τον τρόπο κάθε περιοχή με τη μοναδική αν και ανεξέλεγκτη συστροφή της μπορεί να αναγνωριστεί και να αντιμετωπιστεί ως η δική της συσκευή. «Στην προσέγγιση Weizmann, έκαναν αυτό το βήμα σε μια πραγματικά δημιουργική νέα κατεύθυνση όπου ο έλεγχος της γωνίας συστροφής και η φασματοσκοπική ανάλυση ενσωματώνονται στην ίδια πλατφόρμα», λέει ο Dean, ο οποίος είναι στο Πανεπιστήμιο Columbia. «Αυτή η ιδέα, ότι η συσκευή είναι επίσης το όργανο, είναι ένας σπάνιος και συναρπαστικός συνδυασμός σε συστήματα συμπυκνωμένης ύλης». Τονίζει επίσης ότι η συσκευή δεν περιορίζεται σε συστήματα συνεστραμμένου στρώματος.

Ο Ilani λέει για την εφεύρεση της ομάδας του: «Για να είμαι ειλικρινής κάθε εβδομάδα ανακαλύπτουμε έναν νέο τύπο μέτρησης που μπορείτε να κάνετε με το μικροσκόπιο κβαντικής συστροφής – είναι ένα πολύ ευέλικτο εργαλείο». Για παράδειγμα, οι ερευνητές μπορούν επίσης να πιέσουν την άκρη προς τα κάτω για να εξερευνήσουν τα αποτελέσματα της πίεσης, η οποία μειώνει την απόσταση μεταξύ των στρωμάτων van der Waals. «Υπάρχουν πειράματα σε δισδιάστατα υλικά που γίνονται με πίεση, επίσης στο πλαίσιο του γραφενίου με μαγική γωνία», λέει ο Birkbeck, καθώς αναφέρεται σε πειράματα με έμβολα σε θαλάμους λαδιού βυθισμένα σε χαμηλές θερμοκρασίες που πρέπει να επαναφέρονται από την αρχή για κάθε τιμή πίεσης. «Έχουμε φτάσει σε συγκρίσιμες πιέσεις με το κβαντικό μικροσκόπιο συστροφής, αλλά τώρα με την ικανότητα να το συντονίζουμε γρήγορα και συνεχώς στο χώρο. "

Τα αποτελέσματα αναφέρονται στο Φύση.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/