Pyyhkäisykoetinta kierrettynä tarkkailee elektronin aaltomainen käyttäytyminen

Kun skannaava tunnelointimikroskooppi debyyttinsä 1980-luvulla, tuloksena nanoteknologian ja kvanttilaitetutkimuksen räjähdysmäinen kasvu. Sen jälkeen on kehitetty muun tyyppisiä pyyhkäisykoettimikroskooppeja, ja yhdessä ne ovat auttaneet tutkijoita täydentämään elektronien kuljetuksen teorioita. Mutta nämä tekniikat tutkivat elektroneja yhdessä pisteessä, tarkkaillen niitä siten hiukkasina ja näkevät niiden aaltoluonteen vain epäsuorasti. Nyt Israelin Weizmann Institute of Sciencen tutkijat ovat rakentaneet uuden pyyhkäisyanturin – kvanttikiertomikroskoopin – joka havaitsee elektronien kvanttiaaltoominaisuudet suoraan.

"Se on käytännössä skannaava anturin kärki, jonka huipussa on interferometri", sanoo Shahal Ilani, joukkueen johtaja. Tutkijat peittävät skannausanturin kärjen ultraohuella grafiitilla, kuusikulmainen boorinitridillä ja van der Waals -kiteellä, kuten grafeenilla, jotka kätevästi floppaavat kärjen yli kuin teltta, jonka yläosa on halkaisijaltaan noin 200 nm. Litteä pää on avain laitteen interferometritoimintoon. Sen sijaan, että elektroni tunneli näytteen yhden pisteen ja kärjen välillä, elektroniaaltofunktio voi tunneloida useissa kohdissa samanaikaisesti.

"Melko yllättäen huomasimme, että litteä pää kääntyy luonnollisesti niin, että se on aina yhdensuuntainen näytteen kanssa", sanoo John Birkbeck, tätä työtä kuvaavan paperin vastaava kirjoittaja. Tämä on onnellista, koska mikä tahansa kallistus muuttaisi tunnelointietäisyyttä ja siten vahvuutta tasangon toiselta puolelta toiselle. "Näiden tunnelointireittien häiriöt, jotka tunnistetaan mitatussa virrassa, antavat laitteelle ainutlaatuisen kvanttiaallon luotaustoiminnon", Birkbeck sanoo.

Kaksirakoinen kokeilu

Tämä häiriö on analoginen vaikutuksille, jotka aiheutuvat elektronien laukaisuista näytössä, jossa on kaksi rakoa, kuten kuuluisan Youngin kaksoisrako-kokeessa. Erez Berg selittää. Berg yhdessä Ady Stern, Binghai Yan ja Yuval Oreg johti uuden instrumentin teoreettista ymmärtämistä.

Jos mittaat, minkä raon läpi hiukkanen kulkee – kuten muiden pyyhkäisyanturitekniikoiden mittauksissa – aaltokäyttäytyminen häviää ja näet vain hiukkasen. Jos kuitenkin jätät hiukkasen kulkemaan sen risteyskohtaa havaitsematta, kaksi käytettävissä olevaa polkua tuottavat rakenteellisen ja tuhoavan häiriökuvion, kuten aallot, jotka aaltoivat ulos kahdesta lammen vierekkäin pudotetusta kivistä.

"Koska elektroni voi tunneloida vain siellä, missä sen liikemäärä täsmää anturin ja näytteen välillä, laite mittaa suoraan tämän parametrin, joka on keskeinen elektronien kollektiivista käyttäytymistä selittäville teorioille", Berg sanoo.

Itse asiassa ajatus elektronin liikemäärän mittaamisesta sen käytettävissä olevien tunnelointireittien interferenssillä juontaa juurensa Jim Eisenstein Caltechissa 1990-luvulla. Weizmannin tutkijat ovat kuitenkin nostaneet asioita useilla vaihteilla joidenkin avaininnovaatioiden ansiosta kahden räjähdysmäisen kehityksen ansiosta. Nämä ovat grafeenin eristäminen samankaltaisten atomisesti ohuiden van der Waals -kiteiden tutkimus; ja sitä seuraava kokeellisesti havaitut kierteen vaikutukset kerrostettujen van der Waals -materiaalien suunnassa.

Kierrettynä kerrostettuna materiaalit, kuten grafeeni, muodostavat moiré-hilan, joka on nimetty tekstiilien mukaan ja jossa kankaan verkko on hieman epätasainen ja vaikuttaa silmiin hauskoja. Näiden 2D-moiré-materiaalien elektronit altistuvat tämän ylimääräisen keinotekoisen moiré-hilan potentiaalille, jolla on kiertokulman määräämä jakso. Näin ollen kahden van der Waalsin kristallikerroksen välisten suhteellisten kulmien kiertäminen kvanttikiertomikroskoopin pietsosähköisellä rotaattorilla mahdollistaa paljon laajemman liikemäärän mittaamisen kuin aiemmin käytetyillä magneettikentillä oli mahdollista, sekä tutkia monia myös muita elektronisia ilmiöitä. Natty-laitteella on myös helppo tutkia erilaisia ​​van der Waalsin kiteitä ja muita kvanttimateriaaleja.

Ongelmasta ratkaisuun

Kierreefektien löytämisen jälkeen ihmiset halusivat kokeilla materiaaleja eri kierrekulmissa. Heidän täytyi kuitenkin käydä läpi vaivalloinen prosessi tuottaakseen jokainen laite uudelleen jokaista kiertokulmaa varten. Vaikka kulmien läpi oli mahdollista kiertää yhdellä laitteella, kierre yleensä lukkiutuu tiettyihin kulmiin, joissa se on pohjimmiltaan kokeilun peli. Kvanttikierremikroskoopissa kärjen atomisesti ohuella materiaalilla on vahva adheesio sekä kärjen sivuilla että päässä, joten nettovoimat ylittävät helposti kahden van der Waal -kidekerroksen välisen vetovoiman koettimen ja näytteen välillä, jopa näille. houkuttelevimmat kiertokulmat. Juuri tällaisia ​​valmistushaasteita Weizmannin tutkijat olivat alun perin pyrkineet ratkaisemaan.

Korkean lämpötilan suprajohteen tavoin käyttäytyvän "taikakulmagrafeenin" löytö on Fysiikan maailma Vuoden läpimurto 2018

Kierretyn grafeenin edelläkävijä Cory Dean, joka ei ollut mukana tässä tutkimuksessa, kuvaa kuinka yksityiskohtaisinta ymmärrystä kierrettyjen kerrosten järjestelmistä tulee skannaamalla koettimia niiden yli. Tällä tavalla jokainen alue, jolla on ainutlaatuinen, vaikkakin hallitsematon kierre, voidaan tunnistaa ja käsitellä omana laitteenaan. "Weizmannin lähestymistavassa he ovat ottaneet tämän askeleen todella luovaan uuteen suuntaan, jossa kierrekulman ohjaus ja spektroskooppinen analyysi on integroitu samaan alustaan", sanoo Dean, joka työskentelee Columbian yliopistossa. "Tämä ajatus, että laite on myös instrumentti, on harvinainen ja jännittävä yhdistelmä kondensoituneissa aineissa." Hän korostaa myös, että laite ei rajoitu kierrettyihin kerrosjärjestelmiin.

Ilani sanoo tiiminsä keksinnöstä: "Ollakseni rehellinen, löydämme joka viikko uudenlaisen mittauksen, jonka voit tehdä kvanttikiertomikroskoopilla – se on erittäin monipuolinen työkalu." Esimerkiksi tutkijat voivat myös painaa kärkeä alas tutkiakseen paineen vaikutuksia, mikä pienentää van der Waals -kerrosten välistä etäisyyttä. "On olemassa kokeita 2D-materiaaleilla, jotka on tehty paineella, myös taikakulmagrafeenin yhteydessä", Birkbeck sanoo viitaten kokeisiin öljykammioiden männillä, jotka on upotettu alhaisiin lämpötiloihin, jotka on nollattava tyhjästä jokaisen painearvon kohdalla. "Olemme saavuttaneet vertailukelpoisia paineita kvanttikiertomikroskoopilla, mutta nyt voimme virittää sitä nopeasti ja jatkuvasti on-site"

Tulokset raportoidaan vuonna luonto.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/