Sonda skanująca ze skrętem obserwuje falowe zachowanie elektronu

Podczas skaningowy mikroskop tunelowy zadebiutował w latach 1980. XX wieku, czego rezultatem była eksplozja nanotechnologii i badań nad urządzeniami kwantowymi. Od tego czasu opracowano inne typy mikroskopów z sondami skanującymi, które razem pomogły naukowcom rozwinąć teorie transportu elektronów. Ale te techniki badają elektrony w jednym punkcie, obserwując je w ten sposób jako cząstki i tylko pośrednio widząc ich falową naturę. Teraz naukowcy z Instytutu Nauki Weizmanna w Izraelu zbudowali nową sondę skanującą – kwantowy mikroskop skręcający – który bezpośrednio wykrywa charakterystykę fal kwantowych elektronów.

„W rzeczywistości jest to końcówka sondy skanującej z interferometrem na wierzchołku” — mówi Szachal Ilani, lider zespołu. Naukowcy pokryli końcówkę sondy skanującej ultracienkim grafitem, heksagonalnym azotkiem boru i kryształem van der Waalsa, takim jak grafen, który wygodnie opada na końcówkę jak namiot z płaskim blatem o średnicy około 200 nm. Płaska końcówka jest kluczem do funkcji interferometru urządzenia. Zamiast tunelowania elektronów między jednym punktem w próbce a końcówką, funkcja fali elektronów może tunelować w wielu punktach jednocześnie.

„Co zaskakujące, odkryliśmy, że płaski koniec w naturalny sposób obraca się, tak że jest zawsze równoległy do ​​próbki” — mówi Johna Birkbecka, autor korespondencyjny artykułu opisującego tę pracę. To szczęście, ponieważ każde przechylenie zmieniłoby odległość tunelowania, a tym samym siłę z jednej strony płaskowyżu na drugą. „To interferencja tych ścieżek tunelowania, zidentyfikowana w zmierzonym prądzie, nadaje urządzeniu unikalną funkcję sondowania fal kwantowych” – mówi Birkbeck.

Eksperyment z podwójną szczeliną

Ta interferencja jest analogiczna do efektów wystrzeliwania elektronów w ekran z dwiema szczelinami, jak słynny eksperyment Younga z podwójną szczeliną, jak Ereza Berga wyjaśnia. Berga wraz z Ady'ego Sterna, Binghai Yan i Yuval Oreg prowadził teoretyczne zrozumienie nowego instrumentu.

Jeśli zmierzysz, przez którą szczelinę przechodzi cząstka – tak jak dzieje się to w przypadku pomiarów innych technik sondy skanującej – zachowanie falowe zostaje utracone i wszystko, co widzisz, to cząstka. Jeśli jednak pozostawisz cząsteczkę, aby przeleciała z niezauważoną pozycją skrzyżowania, dwie dostępne ścieżki tworzą wzór konstruktywnej i destrukcyjnej interferencji, jak fale rozchodzące się od dwóch kamyków wrzuconych obok siebie do stawu.

„Ponieważ elektron może tunelować tylko tam, gdzie jego pęd pasuje między sondą a próbką, urządzenie bezpośrednio mierzy ten parametr, który jest kluczowy dla teorii wyjaśniających zbiorowe zachowanie elektronów” – mówi Berg.

W rzeczywistości pomysł pomiaru pędu elektronu za pomocą interferencji dostępnych tras tunelowania sięga prac Jim Eisenstein z Caltech w latach 1990. Jednak badacze Weizmanna przesunęli sprawę o kilka stopni wyżej, wprowadzając kilka kluczowych innowacji dzięki dwóm przełomowym osiągnięciom od tego czasu. To są izolacja grafenu zachęcanie do badań nad podobnymi atomowo cienkimi kryształami van der Waalsa; i kolejne obserwowane eksperymentalnie skutki skrętu w orientacji warstwowych materiałów van der Waalsa.

Skręcone warstwy materiałów, takich jak grafen, tworzą siatkę mory, nazwaną tak na cześć tekstyliów, w których siatka tkaniny jest nieco poza rejestrem i ma zabawny efekt dla oczu. Elektrony w tych materiałach mory 2D są poddawane działaniu potencjału tej dodatkowej sztucznej sieci mory, której okres jest określony przez kąt skręcenia. Stąd skręcanie względnych kątów między dwiema warstwami kryształu van der Waalsa za pomocą rotatora piezoelektrycznego na kwantowym mikroskopie skręcającym umożliwia pomiar znacznie szerszego zakresu pędu niż było to możliwe przy użyciu poprzednio stosowanych pól magnetycznych, a także badanie wielu także inne zjawiska elektroniczne. Urządzenie Natty ułatwia również badanie szeregu różnych kryształów van der Waalsa i innych materiałów kwantowych.

Od problemu do rozwiązania

Po odkryciu efektów skrętu ludzie chętnie eksperymentowali z materiałami pod różnymi kątami skrętu. Musieli jednak przejść przez żmudny proces produkcji każdego urządzenia od nowa dla każdego kąta skrętu. Chociaż możliwe było skręcanie pod różnymi kątami za pomocą pojedynczego urządzenia, skręt ma tendencję do blokowania się pod pewnymi kątami, gdzie w zasadzie eksperyment jest zakończony. W kwantowym mikroskopie skręcającym atomowo cienki materiał na końcówce ma silną adhezję wzdłuż boków końcówki, jak również na końcu, dzięki czemu siły wypadkowe z łatwością przewyższają przyciąganie między dwiema warstwami kryształu van der Waala sondy i próbki, nawet dla tych najbardziej atrakcyjne kąty skrętu. Badacze Weizmanna początkowo zamierzali stawić czoła takim wyzwaniom produkcyjnym.

Odkrycie „grafenu o magicznym kącie”, który zachowuje się jak nadprzewodnik wysokotemperaturowy Świat Fizyki Przełom roku 2018

Pionier skręconego grafenu Cory’ego Deana, który nie był zaangażowany w te badania, opisuje, w jaki sposób najbardziej szczegółowe zrozumienie systemów skręconych warstw pochodzi z sond skanujących nad nimi. W ten sposób każdy region ze swoim unikalnym, choć niekontrolowanym zwrotem akcji może zostać zidentyfikowany i potraktowany jako osobne urządzenie. „W podejściu Weizmanna zrobili ten krok w naprawdę kreatywnym nowym kierunku, w którym kontrola kąta skrętu i analiza spektroskopowa są zintegrowane na tej samej platformie”, mówi Dean, który jest na Uniwersytecie Columbia. „Pomysł, że urządzenie jest również instrumentem, jest rzadką i ekscytującą kombinacją w systemach materii skondensowanej”. Podkreśla również, że urządzenie nie ogranicza się do systemów skręconych warstw.

Ilani mówi o wynalazku swojego zespołu: „Szczerze mówiąc, co tydzień odkrywamy nowy typ pomiaru, który można wykonać za pomocą kwantowego mikroskopu skręcającego – to bardzo wszechstronne narzędzie”. Na przykład naukowcy mogą również nacisnąć końcówkę w dół, aby zbadać wpływ nacisku, który zmniejsza odległość między warstwami van der Waalsa. „Istnieją eksperymenty na materiałach 2D wykonywane z ciśnieniem, również w kontekście grafenu pod kątem magicznym”, mówi Birkbeck, odnosząc się do eksperymentów z tłokami w komorach olejowych zanurzonych w niskich temperaturach, które należy zresetować od nowa dla każdej wartości ciśnienia. „Osiągnęliśmy porównywalne ciśnienia za pomocą kwantowego mikroskopu skręcającego, ale teraz mamy możliwość szybkiego i ciągłego dostrajania go in situ".

Wyniki podano w Natura.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/