Une sonde à balayage avec une torsion observe le comportement ondulatoire de l'électron

When the microscope à effet tunnel a fait ses débuts dans les années 1980, le résultat a été une explosion de la recherche sur les nanotechnologies et les dispositifs quantiques. Depuis lors, d'autres types de microscopes à sonde à balayage ont été développés et, ensemble, ils ont aidé les chercheurs à étoffer les théories du transport des électrons. Mais ces techniques sondent les électrons en un seul point, les observant ainsi comme des particules et ne voyant leur nature ondulatoire qu'indirectement. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut Weizmann des sciences en Israël ont construit une nouvelle sonde à balayage - le microscope à torsion quantique - qui détecte directement les caractéristiques des ondes quantiques des électrons.

"Il s'agit en fait d'une pointe de sonde à balayage avec un interféromètre à son sommet", explique Chahal Ilani, le chef d'équipe. Les chercheurs ont recouvert une pointe de sonde à balayage avec du graphite ultra-fin, du nitrure de bore hexagonal et un cristal de van der Waals tel que le graphène, qui s'effondre facilement sur la pointe comme une tente avec un sommet plat d'environ 200 nm de diamètre. L'extrémité plate est la clé de la fonction d'interféromètre de l'appareil. Au lieu d'un effet tunnel d'électrons entre un point de l'échantillon et la pointe, la fonction d'onde électronique peut traverser simultanément plusieurs points.

"Assez étonnamment, nous avons constaté que l'extrémité plate pivote naturellement de sorte qu'elle soit toujours parallèle à l'échantillon", explique Jean Birkbeck, l'auteur correspondant d'un article décrivant ce travail. C'est une chance car toute inclinaison modifierait la distance de tunnel et donc la force d'un côté du plateau à l'autre. "C'est l'interférence de ces chemins tunnel, identifiée dans le courant mesuré, qui confère à l'appareil sa fonction unique de détection d'ondes quantiques", explique Birkbeck.

Expérience à double fente

Cette interférence est analogue aux effets de tirer des électrons sur un écran avec deux fentes, comme la célèbre expérience de la double fente de Young, comme Erezberg explique. Berg, avec Ady Stern, Binghaï Yan ainsi que Yuval-Oreg conduit la compréhension théorique du nouvel instrument.

Si vous mesurez par quelle fente la particule passe - comme ce qui se passe avec les mesures d'autres techniques de sonde à balayage - le comportement de l'onde est perdu et tout ce que vous voyez est la particule. Cependant, si vous laissez la particule passer avec sa position de croisement non détectée, les deux chemins disponibles produisent un modèle d'interférence constructive et destructrice comme les vagues qui ondulent de deux cailloux tombés dans un étang côte à côte.

"Étant donné que l'électron ne peut creuser un tunnel que là où son impulsion correspond entre la sonde et l'échantillon, l'appareil mesure directement ce paramètre, qui est essentiel pour les théories expliquant le comportement collectif des électrons", explique Berg.

En fait, l'idée de mesurer la quantité de mouvement d'un électron en utilisant l'interférence de ses routes tunnel disponibles remonte aux travaux de Jim Eisenstein à Caltech dans les années 1990. Cependant, les chercheurs de Weizmann passent à la vitesse supérieure avec quelques innovations clés grâce à deux développements explosifs depuis. Voici les l'isolement du graphène incitant à la recherche sur des cristaux de van der Waals similaires atomiquement minces; et la suite effets observés expérimentalement d'une torsion dans l'orientation des matériaux stratifiés de van der Waals.

Lorsqu'ils sont superposés avec une torsion, des matériaux comme le graphène forment un réseau moiré, ainsi nommé d'après les textiles où la maille du tissu est légèrement décalée et a des effets amusants sur vos yeux. Les électrons de ces matériaux 2D moirés sont soumis au potentiel de ce réseau moiré artificiel supplémentaire, dont la période est déterminée par l'angle de torsion. Par conséquent, la torsion à travers les angles relatifs entre deux couches de cristal de van der Waals à l'aide d'un rotateur piézoélectrique sur le microscope à torsion quantique, permet de mesurer une plage d'impulsion beaucoup plus large que ce qui était possible avec les champs magnétiques utilisés auparavant, ainsi que d'explorer de nombreux d'autres phénomènes électroniques aussi. L'appareil natty facilite également l'étude d'une gamme de différents cristaux de van der Waals et d'autres matériaux quantiques.

Du problème à la solution

Suite à la découverte des effets de torsion, les gens ont eu envie d'expérimenter des matériaux à différents angles de torsion. Cependant, ils ont dû passer par le processus minutieux de produire à nouveau chaque appareil pour chaque angle de torsion. Bien qu'il ait été possible de tordre à travers les angles est un seul appareil, la torsion a tendance à se verrouiller à certains angles où, c'est essentiellement la fin de l'expérience. Dans le microscope à torsion quantique, le matériau atomiquement mince sur la pointe a une forte adhérence le long des côtés de la pointe ainsi qu'à l'extrémité, de sorte que les forces nettes l'emportent facilement sur l'attraction entre les deux couches de cristal de van der Waal de la sonde et de l'échantillon, même pour ces angles de torsion les plus attrayants. Ce sont des défis de fabrication comme ceux-là que les chercheurs de Weizmann avaient à l'origine entrepris de relever.

La découverte du "graphène à angle magique" qui se comporte comme un supraconducteur à haute température est Monde de la physique Percée de l'année 2018

Pionnier du graphène torsadé Cory Doyen, qui n'a pas participé à cette recherche, décrit comment une partie de la compréhension la plus détaillée des systèmes de couches torsadées provient de sondes de balayage sur eux. De cette façon, chaque région avec sa torsion unique bien qu'incontrôlée peut être identifiée et traitée comme son propre appareil. "Dans l'approche Weizmann, ils ont franchi cette étape vers une nouvelle direction vraiment créative où le contrôle de l'angle de torsion et l'analyse spectroscopique sont intégrés dans la même plate-forme", explique Dean, qui est à l'Université de Columbia. "Cette idée, que l'appareil est aussi l'instrument, est une combinaison rare et passionnante dans les systèmes de matière condensée." Il souligne également que le dispositif n'est pas limité aux systèmes à couches torsadées.

Ilani dit de l'invention de son équipe : « Pour être honnête, chaque semaine, nous découvrons un nouveau type de mesure que vous pouvez faire avec le microscope à torsion quantique - c'est un outil très polyvalent ». Par exemple, les chercheurs peuvent également appuyer sur la pointe pour explorer les effets de la pression, ce qui réduit la distance entre les couches de van der Waals. "Il existe des expériences sur des matériaux 2D réalisées avec de la pression, également dans le contexte du graphène à angle magique", explique Birkbeck, en faisant référence à des expériences avec des pistons dans des chambres à huile plongées à basse température qui doivent être réinitialisées à partir de zéro pour chaque valeur de pression. "Nous avons atteint des pressions comparables avec le microscope à torsion quantique, mais maintenant avec la possibilité de le régler rapidement et en continu sur place. »

Les résultats sont rapportés dans Nature.

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• La source: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/