La sonda di scansione con una torsione osserva il comportamento ondulatorio dell'elettrone

Quando il microscopio a effetto tunnel a scansione ha fatto il suo debutto negli anni ’1980, il risultato è stato un’esplosione nella nanotecnologia e nella ricerca sui dispositivi quantistici. Da allora, sono stati sviluppati altri tipi di microscopi con sonda a scansione e insieme hanno aiutato i ricercatori ad arricchire le teorie sul trasporto degli elettroni. Ma queste tecniche sondano gli elettroni in un singolo punto, osservandoli così come particelle e vedendone la natura ondulatoria solo indirettamente. Ora, i ricercatori del Weizmann Institute of Science in Israele hanno costruito una nuova sonda di scansione – il microscopio a torsione quantistica – che rileva direttamente le caratteristiche delle onde quantistiche degli elettroni.

"È effettivamente una punta di sonda di scansione con un interferometro al suo apice", afferma Shahal Ilani, il caposquadra. I ricercatori hanno sovrapposto alla punta di una sonda di scansione grafite ultrasottile, nitruro di boro esagonale e un cristallo di van der Waals come il grafene, che si ripiega comodamente sulla punta come una tenda con una parte superiore piatta di circa 200 nm di diametro. L’estremità piatta è fondamentale per la funzione interferometro del dispositivo. Invece di un effetto tunnel tra un punto del campione e la punta, la funzione d'onda dell'elettrone può attraversare più punti contemporaneamente.

"Molto sorprendentemente abbiamo scoperto che l'estremità piatta ruota naturalmente in modo da essere sempre parallela al campione", afferma John Birkbeck, l'autore corrispondente di un articolo che descrive questo lavoro. Questa è una fortuna perché qualsiasi inclinazione altererebbe la distanza del tunnel e quindi la forza da un lato all'altro dell'altopiano. “È l’interferenza di questi percorsi tunneling, come identificato nella corrente misurata, che conferisce al dispositivo la sua esclusiva funzione di sondaggio delle onde quantistiche”, afferma Birkbeck.

Esperimento della doppia fenditura

Questa interferenza è analoga agli effetti prodotti dalla scarica di elettroni su uno schermo con due fenditure, come il famoso esperimento della doppia fenditura di Young, come Erez Berg spiega. Berg, insieme a Ady Stern, Binghai Yan ed Yuval Oreg ha guidato la comprensione teorica del nuovo strumento.

Se misuri attraverso quale fenditura passa la particella – come succede con le misurazioni di altre tecniche di sonda a scansione – il comportamento dell’onda si perde e tutto ciò che vedi è la particella. Tuttavia, se si lascia che la particella passi senza essere rilevata nella sua posizione di incrocio, i due percorsi disponibili producono uno schema di interferenza costruttiva e distruttiva come le onde che si increspano da due ciottoli lasciati cadere uno accanto all'altro in uno stagno.

“Poiché l’elettrone può effettuare un tunnel solo dove la sua quantità di moto coincide tra la sonda e il campione, il dispositivo misura direttamente questo parametro, che è fondamentale per le teorie che spiegano il comportamento collettivo degli elettroni”, afferma Berg.

Risale infatti ai lavori di Jim Eisenstein al Caltech negli anni '1990. Tuttavia, grazie a due sviluppi esplosivi, i ricercatori Weizmann hanno apportato alcune innovazioni chiave. Queste sono le l'isolamento del grafene stimolando la ricerca su cristalli di van der Waals simili atomicamente sottili; e il successivo effetti osservati sperimentalmente di una torsione nell'orientamento dei materiali stratificati di van der Waals.

Se stratificati con una torsione, materiali come il grafene formano un reticolo moiré, dal nome dei tessuti in cui la trama del tessuto è leggermente fuori registro e ha effetti divertenti sui tuoi occhi. Gli elettroni in questi materiali moiré 2D sono soggetti al potenziale di questo ulteriore reticolo moiré artificiale, che ha un periodo determinato dall'angolo di torsione. Quindi, ruotando gli angoli relativi tra due strati di cristallo di van der Waals utilizzando un rotatore piezoelettrico sul microscopio a torsione quantistica, è possibile misurare una gamma molto più ampia di quantità di moto di quanto fosse possibile con i campi magnetici utilizzati in precedenza, oltre a esplorare molti anche altri fenomeni elettronici. L’elegante dispositivo semplifica anche lo studio di una gamma di diversi cristalli di van der Waals e altri materiali quantistici.

Dal problema alla soluzione

Dopo la scoperta degli effetti di torsione, le persone hanno voluto sperimentare materiali con diversi angoli di torsione. Tuttavia hanno dovuto sottoporsi al meticoloso processo di produzione di ciascun dispositivo da capo per ciascun angolo di torsione. Sebbene sia stato possibile ruotare gli angoli con un singolo dispositivo, la rotazione tende a bloccarsi a determinati angoli dove, praticamente, il gioco è finito per l'esperimento. Nel microscopio a torsione quantistica, il materiale atomicamente sottile sulla punta ha una forte adesione lungo i lati della punta e all'estremità, in modo che le forze nette superino facilmente l'attrazione tra i due strati cristallini di van der Waal della sonda e del campione, anche per questi angoli di torsione più attraenti. Erano sfide di fabbricazione come queste che i ricercatori Weizmann avevano inizialmente deciso di affrontare.

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Pioniere del grafene contorto Cory Dean, che non è stato coinvolto in questa ricerca, descrive come alcune delle conoscenze più dettagliate sui sistemi a strati intrecciati provengano dalla scansione delle sonde su di essi. In questo modo ogni regione con la sua torsione unica seppure incontrollata può essere identificata e trattata come un dispositivo a sé stante. "Con l'approccio Weizmann, hanno compiuto questo passo verso una nuova direzione davvero creativa in cui il controllo dell'angolo di torsione e l'analisi spettroscopica sono integrati nella stessa piattaforma", afferma Dean, che lavora alla Columbia University. “L’idea che il dispositivo sia anche lo strumento è una combinazione rara ed entusiasmante nei sistemi di materia condensata”. Sottolinea inoltre che il dispositivo non è limitato ai sistemi a strati intrecciati.

Ilani dice dell’invenzione del suo team: “A dire il vero, ogni settimana scopriamo un nuovo tipo di misurazione che puoi fare con il microscopio a torsione quantistica: è uno strumento molto versatile”. Ad esempio, i ricercatori possono anche premere la punta verso il basso per esplorare gli effetti della pressione, che diminuisce la distanza tra gli strati di van der Waals. "Esistono esperimenti su materiali 2D eseguiti con la pressione, anche nel contesto del grafene dell'angolo magico", afferma Birkbeck, riferendosi a esperimenti con pistoni in camere d'olio immerse a basse temperature che devono essere ripristinate da zero per ogni valore di pressione. “Abbiamo raggiunto pressioni comparabili con il microscopio a torsione quantistica, ma ora con la capacità di regolarlo in modo rapido e continuo on-site. "

I risultati sono riportati in Natura.

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