Pemindaian probe dengan putaran mengamati perilaku seperti gelombang elektron

Ketika pemindaian tunneling mikroskop memulai debutnya pada 1980-an, hasilnya adalah ledakan dalam penelitian nanoteknologi dan perangkat kuantum. Sejak itu, jenis lain dari mikroskop probe pemindaian telah dikembangkan dan bersama-sama mereka telah membantu para peneliti menyempurnakan teori transpor elektron. Tetapi teknik ini menyelidiki elektron pada satu titik, dengan demikian mengamatinya sebagai partikel dan hanya melihat sifat gelombangnya secara tidak langsung. Sekarang, para peneliti di Weizmann Institute of Science di Israel telah membangun probe pemindaian baru – mikroskop pemutar kuantum – yang mendeteksi karakteristik gelombang kuantum elektron secara langsung.

“Ini secara efektif merupakan ujung probe pemindaian dengan interferometer di puncaknya,” kata Syahal Ilani, ketua tim. Para peneliti melapisi ujung probe pemindaian dengan grafit ultra tipis, boron nitrida heksagonal, dan kristal van der Waals seperti graphene, yang dengan mudah jatuh di ujungnya seperti tenda dengan bagian atas datar dengan lebar sekitar 200 nm. Ujung datar adalah kunci fungsi interferometer perangkat. Alih-alih tunneling elektron antara satu titik dalam sampel dan ujung, fungsi gelombang elektron dapat melakukan tunneling di beberapa titik secara bersamaan.

“Cukup mengejutkan kami menemukan bahwa ujung datar berputar secara alami sehingga selalu sejajar dengan sampel,” kata John Birkbeck, penulis korespondensi makalah yang menjelaskan karya ini. Ini beruntung karena setiap kemiringan akan mengubah jarak terowongan dan karenanya kekuatan dari satu sisi dataran tinggi ke sisi lainnya. “Ini adalah gangguan dari jalur tunneling ini, seperti yang diidentifikasi dalam arus terukur, yang memberi perangkat fungsi penyelidikan gelombang kuantum yang unik,” kata Birkbeck.

Eksperimen celah ganda

Gangguan ini analog dengan efek penembakan elektron pada layar dengan dua celah di dalamnya, seperti percobaan celah ganda Young yang terkenal, seperti Erez Berg menjelaskan. Berg, bersama dengan Adi Stern, Binghai Yan dan Yuval Oreg memimpin pemahaman teoritis instrumen baru.

Jika Anda mengukur celah mana yang dilewati partikel – seperti yang terjadi dengan pengukuran teknik probe pemindaian lainnya – perilaku gelombang hilang dan yang Anda lihat hanyalah partikelnya. Namun, jika Anda membiarkan partikel lewat dengan posisi persilangannya tidak terdeteksi, dua jalur yang tersedia menghasilkan pola interferensi konstruktif dan destruktif seperti gelombang yang keluar dari dua kerikil yang dijatuhkan di kolam berdampingan.

“Karena elektron hanya dapat melakukan tunnel ketika momentumnya cocok antara probe dan sampel, perangkat secara langsung mengukur parameter ini, yang merupakan kunci untuk teori yang menjelaskan perilaku kolektif elektron,” kata Berg.

Sebenarnya ide untuk mengukur momentum elektron menggunakan interferensi rute tunneling yang tersedia sudah ada sejak dulu Jim Eisenstein di Caltech pada 1990-an. Namun, para peneliti Weizmann meningkatkan beberapa hal dengan beberapa inovasi kunci berkat dua perkembangan eksplosif sejak itu. Ini adalah isolasi graphene mendorong penelitian ke dalam kristal van der Waals yang tipis secara atom; dan selanjutnya efek twist yang diamati secara eksperimental dalam orientasi bahan berlapis van der Waals.

Saat dilapisi dengan pelintiran, bahan seperti graphene membentuk kisi moiré, dinamai menurut tekstil di mana jaring kainnya sedikit tidak rata dan memiliki efek lucu pada mata Anda. Elektron dalam bahan 2D moiré ini tunduk pada potensi kisi moiré buatan tambahan ini, yang memiliki periode yang ditentukan oleh sudut puntiran. Oleh karena itu memutar melalui sudut relatif antara dua lapisan kristal van der Waals menggunakan rotator piezoelektrik pada mikroskop kuantum puntir, memungkinkan untuk mengukur rentang momentum yang jauh lebih luas daripada yang dimungkinkan dengan medan magnet yang digunakan sebelumnya, serta menjelajahi banyak fenomena elektronik lainnya juga. Perangkat rapi juga memudahkan untuk mempelajari berbagai kristal van der Waals dan bahan kuantum lainnya.

Dari masalah ke solusi

Menyusul penemuan efek pelintiran, orang tertarik untuk bereksperimen dengan bahan pada sudut pelintiran yang berbeda. Namun mereka harus melalui proses yang melelahkan untuk memproduksi setiap perangkat baru untuk setiap sudut putaran. Meskipun dimungkinkan untuk memutar melalui sudut adalah satu perangkat, putaran cenderung terkunci pada sudut tertentu di mana, pada dasarnya permainan berakhir untuk percobaan. Dalam mikroskop puntir kuantum, bahan yang tipis secara atomik pada ujungnya memiliki daya rekat yang kuat di sepanjang sisi ujung serta ujungnya, sehingga gaya total dengan mudah lebih besar daripada gaya tarik antara dua lapisan kristal van der Waal dari probe dan sampel, bahkan untuk ini sudut putar paling menarik. Tantangan fabrikasi seperti inilah yang awalnya ingin ditangani oleh para peneliti Weizmann.

Penemuan 'magic-angle graphene' yang berperilaku seperti superkonduktor suhu tinggi Dunia Fisika Terobosan Tahun 2018

Pelopor graphene bengkok Corry Dean, yang tidak terlibat dalam penelitian ini, menjelaskan bagaimana beberapa pemahaman yang paling rinci tentang sistem lapisan bengkok berasal dari pemindaian probe di atasnya. Dengan cara ini setiap daerah dengan putaran uniknya yang tidak terkendali dapat diidentifikasi dan diperlakukan sebagai perangkatnya sendiri. “Dalam pendekatan Weizmann, mereka telah mengambil langkah ini ke arah baru yang benar-benar kreatif di mana kontrol sudut putaran dan analisis spektroskopi diintegrasikan ke dalam platform yang sama,” kata Dean, yang berada di Universitas Columbia. “Gagasan ini, bahwa perangkat juga merupakan instrumen, merupakan kombinasi yang langka dan menarik dalam sistem materi terkondensasi.” Dia juga menyoroti bahwa perangkat ini tidak terbatas pada sistem lapisan terpelintir.

Ilani berkata tentang penemuan timnya, “Sejujurnya, setiap minggu kami menemukan jenis pengukuran baru yang dapat Anda lakukan dengan mikroskop pemuntir kuantum – ini adalah alat yang sangat serbaguna”. Misalnya, para peneliti juga dapat menekan ujungnya ke bawah untuk mengeksplorasi efek tekanan, yang mengurangi jarak antar lapisan van der Waals. “Ada eksperimen pada bahan 2D yang dilakukan dengan tekanan, juga dalam konteks graphene sudut ajaib,” kata Birkbeck, merujuk pada eksperimen dengan piston di ruang oli yang dicelupkan ke suhu rendah yang perlu diatur ulang dari awal untuk setiap nilai tekanan. “Kami telah mencapai tekanan yang sebanding dengan mikroskop pemutar kuantum tetapi sekarang dengan kemampuan untuk menyetelnya dengan cepat dan terus menerus di tempat. "

Hasilnya dilaporkan di Alam.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/