Scannende sonde met een draai neemt het golfachtige gedrag van elektronen waar

Wanneer de scanning tunneling microscoop debuteerde in de jaren tachtig, was het resultaat een explosie in nanotechnologie en onderzoek naar kwantumapparaten. Sindsdien zijn er andere soorten scanning-sondemicroscopen ontwikkeld en samen hebben ze onderzoekers geholpen theorieën over elektronentransport uit te werken. Maar deze technieken onderzoeken elektronen op een enkel punt, waardoor ze als deeltjes worden waargenomen en hun golfkarakter alleen indirect wordt gezien. Nu hebben onderzoekers van het Weizmann Institute of Science in Israël een nieuwe scansonde gebouwd - de kwantumdraaimicroscoop - die de kwantumgolfkarakteristieken van elektronen direct detecteert.

"Het is in feite een scannende sondetip met een interferometer aan de top", zegt Shalal Ilani, de teamleider. De onderzoekers bedekten een scanning-sondetip met ultradun grafiet, hexagonaal boornitride en een van der Waals-kristal zoals grafeen, die gemakkelijk over de punt flopten als een tent met een platte bovenkant van ongeveer 200 nm breed. Het platte uiteinde is de sleutel tot de interferometerfunctie van het apparaat. In plaats van een elektronentunnel tussen een punt in het monster en de punt, kan de elektronengolffunctie tegelijkertijd op meerdere punten tunnelen.

"Heel verrassend ontdekten we dat het platte uiteinde van nature draait, zodat het altijd evenwijdig is aan het monster", zegt Johannes Birkbeck, de corresponderende auteur van een artikel waarin dit werk wordt beschreven. Dit is een geluk omdat elke kanteling de tunnelafstand en dus de kracht van de ene kant van het plateau naar de andere zou veranderen. "Het is de interferentie van deze tunnelpaden, zoals geïdentificeerd in de gemeten stroom, die het apparaat zijn unieke kwantumgolf-sonderingsfunctie geeft", zegt Birkbeck.

Experiment met dubbele spleet

Deze interferentie is analoog aan de effecten van het afvuren van elektronen op een scherm met twee spleten erin, zoals het beroemde Young's dubbelspleten experiment, als Erez Berg legt uit. Bergen, samen met Ad Stern, Binghai Yan en Yuval Oreg leidde het theoretische begrip van het nieuwe instrument.

Als je meet door welke spleet het deeltje gaat – zoals bij de metingen van andere scanning probe technieken gebeurt – gaat het golfgedrag verloren en zie je alleen het deeltje. Als je het deeltje echter ongemerkt voorbij laat gaan, produceren de twee beschikbare paden een patroon van constructieve en destructieve interferentie, zoals de golven die uit twee kiezelstenen komen die naast elkaar in een vijver vallen.

"Aangezien het elektron alleen kan tunnelen waar zijn momentum overeenkomt tussen de sonde en het monster, meet het apparaat deze parameter direct, wat essentieel is voor theorieën die het collectieve gedrag van elektronen verklaren", zegt Berg.

In feite gaat het idee om het momentum van een elektron te meten met behulp van de interferentie van zijn beschikbare tunnelroutes terug tot het werk van Jim Eisenstein bij Caltech in de jaren negentig. De Weizmann-onderzoekers schakelen de zaken echter een aantal versnellingen hoger met enkele belangrijke innovaties dankzij twee explosieve ontwikkelingen sindsdien. Dit zijn de de isolatie van grafeen aanleiding geven tot onderzoek naar vergelijkbare atomair dunne van der Waals-kristallen; en de daaropvolgende experimenteel waargenomen effecten van een twist in de oriëntatie van gelaagde van der Waals-materialen.

Wanneer gelaagd met een twist, vormen materialen zoals grafeen een moiré-raster, zo genoemd naar textiel waarbij het gaas van de stof enigszins uit het register is en grappige effecten op je ogen heeft. De elektronen in deze moiré 2D-materialen worden onderworpen aan het potentieel van dit extra kunstmatige moiré-rooster, waarvan de periode wordt bepaald door de draaihoek. Door de relatieve hoeken tussen twee lagen van der Waals-kristal te verdraaien met behulp van een piëzo-elektrische rotator op de kwantumdraaimicroscoop, is het dus mogelijk om een ​​veel groter bereik in momentum te meten dan mogelijk was met de eerder gebruikte magnetische velden, evenals het verkennen van vele ook andere elektronische fenomenen. Het aardige apparaat maakt het ook gemakkelijk om een ​​reeks verschillende van der Waals-kristallen en andere kwantummaterialen te bestuderen.

Van probleem naar oplossing

Na de ontdekking van twist-effecten wilden mensen graag experimenteren met materialen met verschillende twist-hoeken. Ze moesten echter het moeizame proces doorlopen om elk apparaat voor elke draaihoek opnieuw te produceren. Hoewel het mogelijk was om door hoeken te draaien, is een enkel apparaat, de draai heeft de neiging om onder bepaalde hoeken vast te lopen, waar het in feite game over is voor het experiment. In de kwantumdraaimicroscoop heeft het atomair dunne materiaal op de punt een sterke adhesie langs zowel de puntzijden als het uiteinde, zodat de netto krachten ruimschoots opwegen tegen de aantrekkingskracht tussen de twee van der Waal-kristallagen van sonde en monster, zelfs voor deze meest aantrekkelijke draaihoeken. Het waren fabricage-uitdagingen zoals deze die de Weizmann-onderzoekers oorspronkelijk wilden aanpakken.

Ontdekking van 'magic-angle grafeen' dat zich gedraagt ​​als een supergeleider bij hoge temperatuur Natuurkunde wereld Doorbraak van het jaar 2018

Pionier in gedraaid grafeen Cory Dean, die niet betrokken was bij dit onderzoek, beschrijft hoe een deel van het meest gedetailleerde begrip van systemen met gedraaide lagen afkomstig is van het scannen van sondes erover. Op deze manier kan elke regio met zijn unieke, zij het ongecontroleerde draai, worden geïdentificeerd en behandeld als zijn eigen apparaat. "In de Weizmann-aanpak hebben ze deze stap gezet naar een echt creatieve nieuwe richting waar de draaihoekcontrole en spectroscopische analyse in hetzelfde platform zijn geïntegreerd", zegt Dean, die aan de Columbia University werkt. "Dit idee, dat het apparaat ook het instrument is, is een zeldzame en opwindende combinatie in systemen met gecondenseerde materie." Hij benadrukt ook dat het apparaat niet beperkt is tot systemen met gedraaide lagen.

Ilani zegt over de uitvinding van zijn team: "Eerlijk gezegd ontdekken we elke week een nieuw type meting dat je kunt doen met de kwantumdraaimicroscoop - het is een zeer veelzijdig instrument". De onderzoekers kunnen bijvoorbeeld ook de punt naar beneden drukken om de effecten van druk te onderzoeken, waardoor de afstand tussen van der Waals-lagen kleiner wordt. "Er zijn experimenten met 2D-materialen gedaan met druk, ook in de context van grafeen met een magische hoek", zegt Birkbeck, terwijl hij verwijst naar experimenten met zuigers in oliekamers die ondergedompeld zijn in lage temperaturen die voor elke drukwaarde helemaal opnieuw moeten worden ingesteld. “We hebben een vergelijkbare druk bereikt met de kwantumdraaimicroscoop, maar nu met de mogelijkheid om deze snel en continu af te stemmen in situ. '

De resultaten worden gerapporteerd in NATUUR.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/