סריקת בדיקה עם פיתול צופה בהתנהגות הגל של האלקטרון

כאשר מיקרוסקופ מנהור סורק הופעת הבכורה שלו בשנות ה-1980, התוצאה הייתה פיצוץ בננוטכנולוגיה וחקר התקנים קוונטיים. מאז פותחו סוגים אחרים של מיקרוסקופים סורקים ויחד הם עזרו לחוקרים לגבש תיאוריות של הובלת אלקטרונים. אבל הטכניקות הללו בודקות אלקטרונים בנקודה אחת, ובכך צופים בהם כחלקיקים ורואים רק את אופי הגל שלהם בעקיפין. כעת, חוקרים במכון ויצמן למדע בישראל בנו גשושית סריקה חדשה - המיקרוסקופ הקוונטי - שמזהה את מאפייני הגל הקוונטיים של אלקטרונים ישירות.

"זהו למעשה קצה בדיקה סורק עם אינטרפרומטר בקודקוד שלו", אומר שחל אילני, ראש הצוות. החוקרים מצפים קצה בדיקה סורק עם גרפיט דק במיוחד, בורון ניטריד משושה וקריסטל ואן דר ואלס כגון גרפן, שמתנפלים בנוחות על קצהו כמו אוהל עם חלק עליון שטוח בקוטר של כ-200 ננומטר. הקצה השטוח הוא המפתח לתפקוד האינטרפרומטר של המכשיר. במקום מנהור אלקטרונים בין נקודה אחת בדגימה לקצה, פונקציית גלי האלקטרון יכולה לעבור במנהרה במספר נקודות בו-זמנית.

"באופן מפתיע גילינו שהקצה השטוח מסתובב באופן טבעי כך שהוא תמיד מקביל למדגם", אומר ג'ון בירקבק, המחבר המקביל של מאמר המתאר עבודה זו. זה למרבה המזל כי כל הטיה תשנה את מרחק המנהור ומכאן את החוזק מצד אחד של הרמה לצד השני. "ההפרעה של נתיבי המנהור הללו, כפי שזוהה בזרם הנמדד, היא שנותנת למכשיר את פונקציית החיטוט הייחודית שלו בגל הקוונטי", אומר בירקבק.

ניסוי חריץ כפול

הפרעה זו מקבילה להשפעות של ירי אלקטרונים לעבר מסך עם שני חריצים בתוכו, כמו הניסוי המפורסם של יאנג עם החריצים הכפולים, כמו ארז ברג מסביר. ברג, יחד עם עדי שטרן, בינגהאי יאן ו יובל אורג הוביל את ההבנה התיאורטית של הכלי החדש.

אם אתה מודד באיזה חריץ עובר החלקיק - כמו מה שקורה במדידות של טכניקות אחרות של בדיקה סריקה - התנהגות הגל אובדת וכל מה שאתה רואה זה החלקיק. עם זאת, אם תשאירו את החלקיק לחלוף כשמצב החצייה שלו לא מזוהה, שני השבילים הזמינים מייצרים דפוס של התערבות בונה והרסנית כמו הגלים המתפרקים משני חלוקי נחל שנפלו בבריכה זה לצד זה.

"מכיוון שהאלקטרון יכול לבצע מנהרה רק במקום שבו המומנטום שלו תואם בין הגשושית לדגימה, המכשיר מודד ישירות את הפרמטר הזה, שהוא המפתח לתיאוריות המסבירות התנהגות קולקטיבית של אלקטרונים", אומר ברג.

למעשה, הרעיון של מדידת התנע של אלקטרון באמצעות הפרעות של נתיבי המנהור הזמינים שלו מתוארך לעבודה של ג'ים אייזנשטיין ב-Caltech בשנות ה-1990. עם זאת, חוקרי ויצמן מעלים את העניינים במספר הילוכים עם כמה חידושים מרכזיים הודות לשני פיתוחים נפיצים מאז. אלו הם ה הבידוד של הגרפן מעורר מחקר לגבי גבישי ואן דר ואלס דקים אטומיים דומים; והבא אחריו השפעות שנצפו בניסוי של טוויסט באוריינטציה של חומרי ואן דר ואלס בשכבות.

כאשר הם מונחים בשכבות עם טוויסט, חומרים כמו גרפן יוצרים סריג מוארה, הנקרא כך על שם טקסטיל שבו רשת הבד מעט לא רשומה ויש לה השפעות מצחיקות על העיניים שלך. האלקטרונים בחומרים דו-ממדיים אלה נתונים לפוטנציאל של סריג המואר המלאכותי הנוסף הזה, שיש לו תקופה שנקבעת על ידי זווית הפיתול. מכאן שהפיתול דרך הזוויות היחסיות בין שתי שכבות של גביש ואן דר ואלס באמצעות מסובב פיזואלקטרי במיקרוסקופ הפיתול הקוונטי, מאפשר למדוד טווח רחב הרבה יותר במומנטום ממה שהיה אפשרי עם השדות המגנטיים ששימשו בעבר, כמו גם לחקור רבות גם תופעות אלקטרוניות אחרות. המכשיר הנאטי גם מקל על לימוד מגוון של גבישי ואן דר ואלס שונים וחומרים קוונטיים אחרים.

מבעיה לפתרון

בעקבות גילוי השפעות הטוויסט, אנשים היו להוטים להתנסות בחומרים בזוויות טוויסט שונות. עם זאת הם נאלצו לעבור את התהליך הקפדני של ייצור כל מכשיר מחדש עבור כל זווית פיתול. למרות שהיה אפשר להתפתל דרך זוויות הוא מכשיר יחיד, הטוויסט נוטה להינעל בזוויות מסוימות שבהן זה בעצם נגמר המשחק עבור הניסוי. במיקרוסקופ פיתול קוונטי לחומר הדק אטומית על הקצה יש הידבקות חזקה לאורך צידי הקצה כמו גם בקצה, כך שהכוחות הנטו עולים בקלות על המשיכה בין שתי שכבות הגביש של ואן דר ואל של בדיקה ודגימה, אפילו עבור אלה זוויות הפיתול האטרקטיביות ביותר. במקור יצאו חוקרי ויצמן להתמודד עם אתגרי ייצור כמו אלה.

גילוי של 'גרפן בזווית קסם' שמתנהג כמו מוליך-על בטמפרטורה גבוהה עולם הפיזיקה פריצת הדרך של השנה לשנת 2018

חלוץ גרפן מעוות קורי דין, שלא היה מעורב במחקר זה, מתאר כיצד חלק מההבנה המפורטת ביותר של מערכות שכבות מעוות מגיע מסריקת בדיקות מעליהן. כך ניתן לזהות כל אזור עם הטוויסט הייחודי שלו אם כי הבלתי מבוקר ולהתייחס אליו כאל המכשיר שלו. "בגישת ויצמן, הם לקחו את הצעד הזה לכיוון חדש באמת יצירתי שבו בקרת זווית הפיתול והניתוח הספקטרוסקופי משולבים באותה פלטפורמה", אומר דין, שנמצא באוניברסיטת קולומביה. "הרעיון הזה, שהמכשיר הוא גם הכלי, הוא שילוב נדיר ומרגש במערכות חומר מעובה". הוא גם מדגיש שהמכשיר אינו מוגבל למערכות שכבות מעוותות.

אילני אומר על ההמצאה של הצוות שלו, "למען האמת כל שבוע אנחנו מגלים סוג חדש של מדידה שאפשר לעשות עם המיקרוסקופ הקוונטי - זה כלי מאוד תכליתי". לדוגמה, החוקרים יכולים גם ללחוץ את הקצה כלפי מטה כדי לחקור את השפעות הלחץ, שמקטין את המרחק בין שכבות ואן דר ואלס. "ישנם ניסויים על חומרים דו מימדיים שנעשו בלחץ, גם בהקשר של גרפן זווית קסומה", אומר בירקבק, כשהוא מתייחס לניסויים עם בוכנות בתאי שמן צלול לטמפרטורות נמוכות שיש לאפס מאפס עבור כל ערך לחץ. "הגענו ללחצים דומים עם מיקרוסקופ הפיתול הקוונטי אבל עכשיו עם היכולת לכוון אותו במהירות וברציפות באתרו".

התוצאות מדווחות ב טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/