Skannesonde med en vri observerer elektronets bølgelignende oppførsel

når scanning tunneling mikroskop debuterte på 1980-tallet, ble resultatet en eksplosjon innen nanoteknologi og forskning på kvanteenheter. Siden den gang har andre typer skanningsprobemikroskoper blitt utviklet og sammen har de hjulpet forskere med å konkretisere teorier om elektrontransport. Men disse teknikkene sonderer elektroner på et enkelt punkt, og observerer dem derved som partikler og ser bare deres bølgenatur indirekte. Nå har forskere ved Weizmann Institute of Science i Israel bygget en ny skanningssonde – kvantevridningsmikroskopet – som oppdager kvantebølgekarakteristikkene til elektroner direkte.

"Det er faktisk en skanningsprobespiss med et interferometer på toppen," sier Shahal Ilani, laglederen. Forskerne overlegger en skanningsprobespiss med ultratynn grafitt, sekskantet bornitrid og en van der Waals-krystall som grafen, som praktisk talt flopper over spissen som et telt med en flat topp på omtrent 200 nm på tvers. Den flate enden er nøkkelen til enhetens interferometerfunksjon. I stedet for en elektrontunnel mellom ett punkt i prøven og spissen, kan elektronbølgefunksjonen tunnelere på tvers av flere punkter samtidig.

"Ganske overraskende fant vi at den flate enden naturlig svinger slik at den alltid er parallell med prøven," sier John Birkbeck, den tilsvarende forfatteren av en artikkel som beskriver dette arbeidet. Dette er heldig fordi enhver tilt vil endre tunnelavstanden og dermed styrken fra den ene siden av platået til den andre. "Det er interferensen til disse tunnelbanene, som identifisert i den målte strømmen, som gir enheten dens unike kvantebølgesonderingsfunksjon," sier Birkbeck.

Eksperiment med dobbel spalte

Denne interferensen er analog med effekten av å skyte elektroner mot en skjerm med to spalter i, som det berømte Youngs dobbeltspalteeksperiment, som Erez Berg forklarer. Berg, sammen med Ady Stern, Binghai Yan og Yuval Oreg ledet den teoretiske forståelsen av det nye instrumentet.

Hvis du måler hvilken spalte partikkelen passerer gjennom – som det som skjer med målingene til andre skannesondeteknikker – går bølgeatferden tapt og alt du ser er partikkelen. Men hvis du lar partikkelen passere med dens kryssende posisjon uoppdaget, produserer de to tilgjengelige banene et mønster av konstruktiv og destruktiv interferens som bølgene som bølger ut fra to småstein som faller ned i en dam side ved side.

"Siden elektronet bare kan tunnelere der momentumet samsvarer mellom sonden og prøven, måler enheten direkte denne parameteren, som er nøkkelen for teorier som forklarer kollektiv elektronadferd," sier Berg.

Faktisk går ideen om å måle bevegelsesmengden til et elektron ved å bruke interferensen fra dets tilgjengelige tunnelruter tilbake til arbeidet til Jim Eisenstein ved Caltech på 1990-tallet. Imidlertid flytter Weizmann-forskerne ting opp flere gir med noen viktige innovasjoner takket være to eksplosive utviklinger siden. Disse er isolasjonen av grafen tilskynde til forskning på lignende atomtynne van der Waals-krystaller; og den påfølgende eksperimentelt observerte effekter av en vri i orienteringen av lagdelte van der Waals-materialer.

Når de er lagdelt med en vri, danner materialer som grafen et moiré-gitter, så oppkalt etter tekstiler der stoffets mesh er litt ute av register og har morsomme effekter på øynene dine. Elektronene i disse moiré 2D-materialene blir utsatt for potensialet til dette ekstra kunstige moiré-gitteret, som har en periode bestemt av vridningsvinkelen. Vridning gjennom de relative vinklene mellom to lag av van der Waals-krystall ved bruk av en piezoelektrisk rotator på kvantevridningsmikroskopet, gjør det mulig å måle et mye bredere spekter av momentum enn det som var mulig med de magnetiske feltene som ble brukt tidligere, i tillegg til å utforske mange andre elektroniske fenomener også. Den natty enheten gjør det også enkelt å studere en rekke forskjellige van der Waals-krystaller og andre kvantematerialer.

Fra problem til løsning

Etter oppdagelsen av vridningseffekter var folk opptatt av å eksperimentere med materialer i forskjellige vrivinkler. Imidlertid måtte de gå gjennom den møysommelige prosessen med å produsere hver enhet på nytt for hver vrivinkel. Selv om det hadde vært mulig å vri gjennom vinkler er en enkelt enhet, har vridningen en tendens til å bli låst i visse vinkler hvor det i utgangspunktet er game over for eksperimentet. I kvantevridningsmikroskopet har det atomtynne materialet på spissen sterk adhesjon langs spisssidene så vel som enden, slik at nettokreftene lett oppveier tiltrekningen mellom de to van der Waal-krystalllagene av sonde og prøve, selv for disse mest attraktive vrivinkler. Det var fabrikasjonsutfordringer som disse Weizmann-forskerne opprinnelig hadde satt seg fore å takle.

Oppdagelse av "magisk-vinkelgrafen" som oppfører seg som en høytemperatursuperleder Fysikkens verden Årets gjennombrudd 2018

Pioner med vridd grafen Cory Dean, som ikke var involvert i denne forskningen, beskriver hvordan noe av den mest detaljerte forståelsen av vridd lagsystemer kommer fra å skanne sonder over dem. På denne måten kan hver region med sin unike om enn ukontrollerte vri identifiseres og behandles som sin egen enhet. "I Weizmann-tilnærmingen har de tatt dette skrittet til en virkelig kreativ ny retning der vrivinkelkontrollen og spektroskopisk analyse er integrert i samme plattform," sier Dean, som er ved Columbia University. "Denne ideen om at enheten også er instrumentet, er en sjelden og spennende kombinasjon i kondenserte stoffer." Han fremhever også at enheten ikke er begrenset til vridde lagsystemer.

Ilani sier om teamets oppfinnelse: "For å være ærlig oppdager vi hver uke en ny type måling som du kan gjøre med kvantevridningsmikroskopet - det er et veldig allsidig verktøy". For eksempel kan forskerne også trykke spissen ned for å utforske effekten av trykk, som reduserer avstanden mellom van der Waals-lagene. "Det er eksperimenter på 2D-materialer gjort med trykk, også i sammenheng med magisk vinkelgrafen," sier Birkbeck, mens han refererer til eksperimenter med stempler i oljekamre senket til lave temperaturer som må tilbakestilles fra bunnen av for hver trykkverdi. "Vi har nådd sammenlignbare trykk med kvantevridningsmikroskopet, men nå med muligheten til å raskt og kontinuerlig justere det in situ».

Resultatene rapporteres i Natur.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/