A pásztázó szonda egy csavarással megfigyeli az elektron hullámszerű viselkedését

Amikor a pásztázó alagútmikroszkóp Az 1980-as években debütált, az eredmény a nanotechnológia és a kvantumeszköz-kutatás robbanásszerű fejlődése volt. Azóta más típusú pásztázó szondás mikroszkópokat fejlesztettek ki, és ezek együtt segítették a kutatókat az elektrontranszport elméleteinek pontosításában. De ezek a technikák egyetlen ponton vizsgálják meg az elektronokat, így részecskeként figyelik meg őket, és csak közvetetten látják hullámtermészetüket. Az izraeli Weizmann Institute of Science kutatói most új pásztázó szondát építettek – a kvantumcsavarmikroszkópot –, amely közvetlenül érzékeli az elektronok kvantumhullám-jellemzőit.

„Ez gyakorlatilag egy pásztázó szondacsúcs interferométerrel a csúcsán” – mondja Shahal Ilani, a csapat vezetője. A kutatók a pásztázó szonda csúcsát ultravékony grafittal, hatszögletű bór-nitriddel és van der Waals kristállyal, például grafénnel vonják be, amelyek kényelmesen átbillennek a csúcson, mint egy sátor, amelynek lapos teteje körülbelül 200 nm átmérőjű. A lapos vége kulcsfontosságú a készülék interferométer funkciójához. A minta egy pontja és a csúcs közötti elektronalagút helyett az elektronhullámfüggvény több ponton is áthaladhat egyszerre.

„Meglepő módon azt tapasztaltuk, hogy a lapos vége természetesen úgy forog, hogy mindig párhuzamos a mintával” – mondja. John Birkbeck, az ezt a munkát leíró cikk megfelelő szerzője. Ez szerencsés, mert minden dőlés megváltoztatja az alagút távolságát, és ezáltal az erőt a fennsík egyik oldaláról a másikra. „A mért áramerősségben azonosított ezen alagútvonalak interferenciája adja az eszköz egyedi kvantumhullám-szondázási funkcióját” – mondja Birkbeck.

Kettős rés kísérlet

Ez az interferencia analóg az elektronok olyan képernyőre való kilövésének hatásával, amelyen két rés van, mint például a híres Young kettős réses kísérlete. Erez Berg magyarázza. Berg, vele együtt Ady Stern, Binghai Yan és a Yuval Oreg vezette az új hangszer elméleti megértését.

Ha megméri, hogy a részecske melyik résen halad át – mint ami más pásztázó szondatechnikák méréseivel történik –, a hullám viselkedése elvész, és csak a részecskét látja. Ha azonban észrevétlenül hagyja áthaladni a részecskét úgy, hogy a keresztezési helyzete nem észlelhető, a két rendelkezésre álló út olyan építő és destruktív interferencia mintázatot hoz létre, mint a hullámok, amelyek egy tóba egymás mellé ejtett két kavicsból fodrozódnak.

„Mivel az elektron csak ott tud alagutat vezetni, ahol a szonda és a minta között a lendülete megegyezik, az eszköz közvetlenül méri ezt a paramétert, ami kulcsfontosságú a kollektív elektronok viselkedését magyarázó elméletek számára” – mondja Berg.

Valójában az az ötlet, hogy az elektron impulzusát a rendelkezésre álló alagútvonalak interferenciájával mérjük, még a Jim Eisenstein a Caltechnél az 1990-es években. A Weizmann-kutatók azonban néhány kulcsfontosságú újítással több sebességfokozattal feljebb léptek az azóta történt két robbanásszerű fejlesztésnek köszönhetően. Ezek a a grafén izolálása hasonló atomi vékony van der Waals kristályok kutatásának ösztönzése; és az azt követő egy csavar kísérletesen megfigyelt hatásai réteges van der Waals anyagok tájolásában.

Csavarral rétegezve az olyan anyagok, mint a grafén, moaré rácsot képeznek, így a textíliákról nevezték el, ahol a szövet hálója kissé elcsúszik, és vicces hatással van a szemre. Az ezekben a moaré 2D anyagokban lévő elektronok ennek a további mesterséges moaré rácsnak a potenciáljának vannak kitéve, amelynek periódusa a csavarási szög által meghatározott. Ennélfogva a van der Waals kristály két rétege közötti relatív szögek átcsavarása a kvantumcsavaró mikroszkóp piezoelektromos forgatójával lehetővé teszi sokkal szélesebb impulzus-tartomány mérését, mint a korábban használt mágneses mezőkkel lehetséges, valamint sokféle feltárást. más elektronikai jelenségek is. A pompás eszköz egy sor különféle van der Waals kristály és más kvantumanyag tanulmányozását is megkönnyíti.

A problémától a megoldásig

A csavarodási effektusok felfedezését követően az emberek szívesen kísérleteztek különböző csavarási szögű anyagokkal. Mindazonáltal végig kellett menniük azon a fáradságos folyamaton, hogy minden egyes elfordulási szögnél minden eszközt újra előállítsanak. Bár a szögek átcsavarása egyetlen eszközzel lehetséges volt, a csavar bizonyos szögeknél hajlamos reteszelni, ahol lényegében a kísérletnek vége. A kvantumcsavarmikroszkópban a hegyen lévő atomosan vékony anyag erős tapadást mutat a hegy oldalán és a végén is, így a nettó erők könnyedén meghaladják a vonzást a két van der Waal kristályréteg szonda és minta között, még ezeknél is. legvonzóbb csavarási szögek. A Weizmann-kutatók eredetileg az ehhez hasonló gyártási kihívásokkal foglalkoztak.

A „varázsszögű grafén” felfedezése, amely úgy viselkedik, mint egy magas hőmérsékletű szupravezető Fizika Világa 2018-es év áttörése

A csavart grafén úttörője Cory Dean, aki nem vett részt ebben a kutatásban, leírja, hogy a csavart rétegrendszerek legrészletesebb megértése a szondák feletti szkennelésből származik. Így minden egyes régió egyedi, bár ellenőrizetlen csavarodásával azonosítható és a saját eszközeként kezelhető. „A Weizmann-megközelítésben ezt a lépést egy igazán kreatív, új irányba tették meg, ahol a csavarodási szögszabályozás és a spektroszkópiai elemzés ugyanabban a platformban van integrálva” – mondja Dean, a Columbia Egyetem munkatársa. "Ez az ötlet, hogy az eszköz egyben a műszer is, ritka és izgalmas kombináció a kondenzált anyagú rendszerekben." Azt is kiemeli, hogy az eszköz nem korlátozódik a csavart rétegű rendszerekre.

Ilani így nyilatkozott csapata találmányáról: „Hogy őszinte legyek, minden héten felfedezünk egy új típusú mérést, amelyet a kvantumcsavarmikroszkóppal elvégezhet – ez egy nagyon sokoldalú eszköz”. Például a kutatók lenyomhatják a hegyet, hogy felfedezzék a nyomás hatását, ami csökkenti a van der Waals rétegek közötti távolságot. „Vannak kísérletek 2D-s anyagokkal, amelyeket nyomással végeznek, a varázsszög-grafén kontextusában is” – mondja Birkbeck, miközben olyan kísérletekre utal, amelyeket olajkamrákban alacsony hőmérsékletre süllyesztett dugattyúkkal végeztek, amelyeket minden nyomásértéknél a nulláról kell visszaállítani. „Hasonló nyomást értünk el a kvantumcsavaró mikroszkóppal, de most már a gyors és folyamatos hangolás lehetőségével in situ. "

Az eredményekről beszámolunk Természet.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/