ひねりを加えた走査プローブで電子の波動挙動を観測

時 走査型トンネル顕微鏡 1980 年代にデビューした結果、ナノテクノロジーと量子デバイスの研究が爆発的に増加しました。 それ以来、他のタイプの走査型プローブ顕微鏡が開発され、研究者が電子輸送の理論を具体化するのに役立ちました。 しかし、これらの技術は電子を XNUMX 点でプローブするため、電子を粒子として観察し、その波動の性質を間接的にしか見ることができません。 現在、イスラエルのワイツマン科学研究所の研究者は、電子の量子波特性を直接検出する新しい走査プローブ、量子ねじれ顕微鏡を構築しました。

「これは事実上、頂点に干渉計を備えたスキャン プローブ チップです」と述べています。 シャハル・イラニ、チームリーダー。 研究チームは、走査型プローブの先端を極薄グラファイト、六方晶窒化ホウ素、グラフェンなどのファン デル ワールス結晶でオーバーレイします。 フラットエンドは、デバイスの干渉計機能の鍵です。 サンプル内の 200 点と先端の間で電子がトンネリングする代わりに、電子の波動関数が複数の点で同時にトンネリングできます。

「非常に驚くべきことに、平らな端が常にサンプルと平行になるように自然に回転することがわかりました」と彼は言います。 ジョン・バークベック、この作品を説明する論文の責任著者。 これは幸いなことです。傾斜によってトンネル距離が変化し、プラトーの一方の側から他方の側への強度が変化するからです。 「測定された電流で識別されるように、これらのトンネル経路の干渉が、デバイスに独自の量子波プローブ機能を与えます」とバークベックは言います。

二重スリット実験

この干渉は、有名なヤングの二重スリット実験のように、XNUMX つのスリットがあるスクリーンで電子を発射する効果に似ています。 エレズバーグ 説明します。 バーグと一緒に アディ・スターン, ヤン・ビンハイ & ユヴァルオレグ 新しい楽器の理論的理解を導きました。

粒子がどのスリットを通過するかを測定すると (他の走査型プローブ技術の測定と同様に)、波動の挙動が失われ、粒子だけが見えます。 ただし、交差位置を検出せずに粒子を通過させたままにしておくと、XNUMX つの利用可能なパスは、池に並べて落とされた XNUMX つの小石からさざ波が出る波のように、建設的および破壊的な干渉のパターンを生成します。

「電子は、その運動量がプローブとサンプルの間で一致する場所でのみトンネリングできるため、デバイスはこのパラメーターを直接測定します。これは、電子の集合的挙動を説明する理論の鍵となります」と Berg は言います。

実際、利用可能なトンネル経路の干渉を使用して電子の運動量を測定するというアイデアは、 1990 年代のカリフォルニア工科大学の Jim Eisenstein. しかし、ワイツマンの研究者は、その後の XNUMX つの爆発的な開発のおかげで、いくつかの重要な技術革新で物事を数段階上げています。 これらは、 グラフェンの分離 同様の原子的に薄いファンデルワールス結晶の研究を促進する。 そしてその後 実験的に観察されたツイストの影響 層状のファンデルワールス材料の方向に。

ひねりを加えて重ねると、グラフェンのような素材がモアレ格子を形成します。これは、生地のメッシュがわずかにずれており、目に面白い効果をもたらすテキスタイルにちなんで名付けられました。 これらのモアレ 2D マテリアル内の電子は、ねじれ角によって決定される周期を持つ、この追加の人工モアレ格子のポテンシャルにさらされます。 したがって、量子ねじれ顕微鏡の圧電回転子を使用して、ファン デル ワールス結晶の XNUMX つの層の間の相対角度を介してねじることにより、以前に使用された磁場で可能だったよりもはるかに広い範囲の運動量を測定することが可能になり、多くの研究が可能になります。他の電子現象も。 この便利なデバイスにより、さまざまなファン デル ワールス結晶やその他の量子物質の研究も容易になります。

問題から解決策へ

ツイスト効果の発見に続いて、人々はさまざまなツイスト角度で材料を実験することに熱心でした. しかし、彼らはツイスト角度ごとに各デバイスを作り直すという骨の折れるプロセスを経なければなりませんでした。 XNUMXつのデバイスで角度を超えてねじることは可能でしたが、特定の角度でねじれがロックされる傾向があり、実験的には基本的にゲームオーバーです。 量子ねじれ顕微鏡では、先端の原子的に薄い材料は、先端だけでなく先端の側面に沿って強力な接着力を持っているため、正味の力は、プローブとサンプルのXNUMXつのファンデルワールス結晶層の間の引力を容易に上回ります。最も魅力的なツイスト角度。 ワイツマンの研究者が最初に取り組んだのは、このような製造上の課題でした。

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ねじれグラフェンのパイオニア コーリーディーンは、この研究には関与していませんが、ねじれ層システムの最も詳細な理解のいくつかは、それらをスキャンするプローブからどのように得られているかを説明しています. このようにして、制御されていない独自のねじれを持つ各領域を識別し、独自のデバイスとして扱うことができます。 「ワイツマンのアプローチでは、ねじれ角の制御と分光分析が同じプラットフォームに統合された、非常に創造的な新しい方向にこの一歩を踏み出しました」と、コロンビア大学のディーンは言います。 「装置が装置でもあるというこの考えは、凝縮物質系では珍しく刺激的な組み合わせです。」 彼はまた、デバイスがツイスト レイヤー システムに限定されないことも強調しています。

Ilani は彼のチームの発明について次のように述べています。 たとえば、研究者は先端を押し下げて圧力の効果を調べることもできます。これにより、ファン デル ワールス層の間の距離が減少します。 「マジック アングル グラフェンのコンテキストでも、圧力をかけて行われた 2D 材料の実験があります」と Birkbeck は言い、圧力値ごとにゼロからリセットする必要がある低温に突入したオイル チャンバー内のピストンを使用した実験に言及しています。 「量子ねじれ顕微鏡で匹敵する圧力に達しましたが、今ではそれを迅速かつ継続的に調整することができます。 現場のに設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」

結果は、 自然.

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