La sonda de exploración con un giro observa el comportamiento ondulatorio de los electrones

Cuando el microscopio de efecto túnel hizo su debut en la década de 1980, el resultado fue una explosión en la investigación de nanotecnología y dispositivos cuánticos. Desde entonces, se han desarrollado otros tipos de microscopios de sonda de barrido y juntos han ayudado a los investigadores a desarrollar teorías sobre el transporte de electrones. Pero estas técnicas prueban los electrones en un solo punto, observándolos así como partículas y solo viendo su naturaleza ondulatoria indirectamente. Ahora, los investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann en Israel han construido una nueva sonda de exploración, el microscopio de torsión cuántica, que detecta directamente las características de onda cuántica de los electrones.

"Es efectivamente una punta de sonda de exploración con un interferómetro en su vértice", dice Shahal Ilani, el líder del equipo. Los investigadores superpusieron una punta de sonda de escaneo con grafito ultrafino, nitruro de boro hexagonal y un cristal de van der Waals como el grafeno, que convenientemente se desploma sobre la punta como una tienda de campaña con una parte superior plana de unos 200 nm de ancho. El extremo plano es clave para la función de interferómetro del dispositivo. En lugar de un túnel de electrones entre un punto de la muestra y la punta, la función de onda de electrones puede atravesar múltiples puntos simultáneamente.

"Sorprendentemente, descubrimos que el extremo plano gira naturalmente para que siempre esté paralelo a la muestra", dice Juan Birkbeck, el autor correspondiente de un artículo que describe este trabajo. Esto es una suerte porque cualquier inclinación alteraría la distancia de excavación y, por lo tanto, la fuerza de un lado de la meseta al otro. “Es la interferencia de estas rutas de túneles, como se identifica en la corriente medida, lo que le da al dispositivo su función única de sondeo de ondas cuánticas”, dice Birkbeck.

Experimento de doble rendija

Esta interferencia es análoga a los efectos de disparar electrones a una pantalla con dos rendijas, como el famoso experimento de la doble rendija de Young, como Erezberg explica. Berg, junto con ady popa, Yan Binghai y yuval oregon dirigió la comprensión teórica del nuevo instrumento.

Si mide por qué rendija pasa la partícula, como sucede con las mediciones de otras técnicas de sonda de exploración, el comportamiento de la onda se pierde y todo lo que ve es la partícula. Sin embargo, si deja que la partícula pase con su posición de cruce sin ser detectada, los dos caminos disponibles producen un patrón de interferencia constructiva y destructiva como las ondas que surgen de dos guijarros que se dejan caer en un estanque uno al lado del otro.

“Dado que el electrón solo puede hacer un túnel donde su momento coincide entre la sonda y la muestra, el dispositivo mide directamente este parámetro, que es clave para las teorías que explican el comportamiento colectivo de los electrones”, dice Berg.

De hecho, la idea de medir el momento de un electrón utilizando la interferencia de sus rutas de efecto túnel disponibles se remonta al trabajo de Jim Eisenstein en Caltech en la década de 1990. Sin embargo, los investigadores de Weizmann avanzaron varias marchas con algunas innovaciones clave gracias a dos desarrollos explosivos desde entonces. Estos son los el aislamiento del grafeno impulsar la investigación de cristales de van der Waals atómicamente delgados similares; y el subsiguiente efectos observados experimentalmente de un giro en la orientación de materiales en capas de van der Waals.

Cuando se colocan en capas con un giro, los materiales como el grafeno forman una red muaré, llamada así por los textiles en los que la malla de la tela está ligeramente fuera de registro y tiene efectos divertidos en los ojos. Los electrones en estos materiales bidimensionales muaré están sujetos al potencial de esta red muaré artificial adicional, que tiene un período determinado por el ángulo de torsión. Por lo tanto, girar a través de los ángulos relativos entre dos capas de cristal de van der Waals utilizando un rotador piezoeléctrico en el microscopio de torsión cuántica hace posible medir un rango mucho más amplio en el momento de lo que era posible con los campos magnéticos utilizados anteriormente, así como explorar muchos otros fenómenos electrónicos también. El ingenioso dispositivo también facilita el estudio de una variedad de diferentes cristales de van der Waals y otros materiales cuánticos.

Del problema a la solución

Tras el descubrimiento de los efectos de torsión, la gente estaba interesada en experimentar con materiales en diferentes ángulos de torsión. Sin embargo, tuvieron que pasar por el minucioso proceso de producir cada dispositivo de nuevo para cada ángulo de giro. Aunque había sido posible girar a través de los ángulos en un solo dispositivo, el giro tiende a bloquearse en ciertos ángulos donde, básicamente, se acabó el juego para el experimento. En el microscopio de torsión cuántica, el material atómicamente delgado en la punta tiene una fuerte adhesión a lo largo de los lados de la punta, así como en el extremo, de modo que las fuerzas netas superan fácilmente la atracción entre las dos capas de cristal de van der Waal de la sonda y la muestra, incluso para estos ángulos de giro más atractivos. Fueron desafíos de fabricación como estos los que los investigadores de Weizmann originalmente se propusieron abordar.

El descubrimiento del 'grafeno de ángulo mágico' que se comporta como un superconductor de alta temperatura es Mundo de la física Avance del año 2018

Pionero del grafeno retorcido cory decano, que no participó en esta investigación, describe cómo parte de la comprensión más detallada de los sistemas de capas retorcidas proviene del escaneo de sondas sobre ellos. De esta manera, cada región con su giro único aunque incontrolado puede identificarse y tratarse como un dispositivo propio. “En el enfoque de Weizmann, han dado este paso hacia una nueva dirección realmente creativa en la que el control del ángulo de torsión y el análisis espectroscópico se integran en la misma plataforma”, dice Dean, que trabaja en la Universidad de Columbia. "Esta idea, que el dispositivo es también el instrumento, es una combinación rara y emocionante en los sistemas de materia condensada". También destaca que el dispositivo no se limita a los sistemas de capas retorcidas.

Ilani dice sobre el invento de su equipo: "Para ser honesto, cada semana descubrimos un nuevo tipo de medición que se puede hacer con el microscopio de torsión cuántica: es una herramienta muy versátil". Por ejemplo, los investigadores también pueden presionar la punta hacia abajo para explorar los efectos de la presión, que disminuye la distancia entre las capas de van der Waals. “Hay experimentos en materiales 2D hechos con presión, también en el contexto del grafeno de ángulo mágico”, dice Birkbeck, refiriéndose a experimentos con pistones en cámaras de aceite sumergidas a bajas temperaturas que deben reiniciarse desde cero para cada valor de presión. “Hemos alcanzado presiones comparables con el microscopio de torsión cuántica, pero ahora con la capacidad de ajustarlo de forma rápida y continua. in situ."

Los resultados se informan en Naturaleza.

• Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
• Platoblockchain. Inteligencia del Metaverso Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
• Fuente: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/