A sonda de varredura com uma torção observa o comportamento ondulatório do elétron

Quando o microscópio de tunelamento de varredura fez sua estreia na década de 1980, o resultado foi uma explosão na nanotecnologia e na pesquisa de dispositivos quânticos. Desde então, outros tipos de microscópios de sonda de varredura foram desenvolvidos e, juntos, ajudaram os pesquisadores a desenvolver teorias de transporte de elétrons. Mas estas técnicas sondam os electrões num único ponto, observando-os assim como partículas e vendo apenas indirectamente a sua natureza ondulatória. Agora, investigadores do Instituto Weizmann de Ciência, em Israel, construíram uma nova sonda de varrimento – o microscópio de torção quântica – que detecta diretamente as características das ondas quânticas dos eletrões.

“É efetivamente uma ponta de sonda de varredura com um interferômetro no ápice”, diz Shahal Ilani, o líder da equipe. Os pesquisadores sobrepuseram a ponta da sonda de varredura com grafite ultrafino, nitreto de boro hexagonal e um cristal de van der Waals, como o grafeno, que convenientemente cai sobre a ponta como uma tenda com topo plano de cerca de 200 nm de diâmetro. A extremidade plana é fundamental para a função do interferômetro do dispositivo. Em vez de um tunelamento de elétrons entre um ponto da amostra e a ponta, a função de onda do elétron pode fazer um tunelamento em vários pontos simultaneamente.

“Surpreendentemente, descobrimos que a extremidade plana gira naturalmente de modo que fica sempre paralela à amostra”, diz John Birkbeck, autor correspondente de um artigo que descreve este trabalho. Isto é uma sorte porque qualquer inclinação alteraria a distância do túnel e, portanto, a força de um lado ao outro do planalto. “É a interferência desses caminhos de tunelamento, conforme identificados na corrente medida, que dá ao dispositivo sua função única de sondagem de ondas quânticas”, diz Birkbeck.

Experimento de fenda dupla

Esta interferência é análoga aos efeitos do disparo de elétrons contra uma tela com duas fendas, como o famoso experimento da dupla fenda de Young, como Erez Berg explica. Berg, junto com Ady Stern, Binghai Yan e Yuval Oreg liderou a compreensão teórica do novo instrumento.

Se você medir por qual fenda a partícula passa – como acontece com as medições de outras técnicas de sonda de varredura – o comportamento da onda é perdido e tudo que você vê é a partícula. No entanto, se deixarmos a partícula passar sem que sua posição de cruzamento seja detectada, os dois caminhos disponíveis produzirão um padrão de interferência construtiva e destrutiva, como as ondas que ondulam a partir de duas pedras deixadas cair lado a lado em um lago.

“Uma vez que o eletrão só pode criar um túnel onde o seu momento coincide entre a sonda e a amostra, o dispositivo mede diretamente este parâmetro, que é fundamental para as teorias que explicam o comportamento coletivo dos eletrões”, diz Berg.

Na verdade, a ideia de medir o momento de um elétron usando a interferência das rotas de tunelamento disponíveis remonta ao trabalho de Jim Eisenstein na Caltech na década de 1990. No entanto, os pesquisadores de Weizmann aceleram as coisas com algumas inovações importantes, graças a dois desenvolvimentos explosivos desde então. Estes são os o isolamento do grafeno estimulando a pesquisa de cristais de van der Waals atomicamente finos semelhantes; e o subsequente efeitos observados experimentalmente de uma torção na orientação de materiais de van der Waals em camadas.

Quando dispostos em camadas com torção, materiais como o grafeno formam uma treliça moiré, assim chamada em homenagem aos têxteis, onde a malha do tecido fica ligeiramente fora de registro e tem efeitos engraçados nos olhos. Os elétrons nesses materiais moiré 2D estão sujeitos ao potencial dessa rede moiré artificial adicional, que tem um período determinado pelo ângulo de torção. Conseqüentemente, torcer os ângulos relativos entre duas camadas do cristal de van der Waals usando um rotador piezoelétrico no microscópio de torção quântica torna possível medir uma faixa de momento muito mais ampla do que era possível com os campos magnéticos usados ​​anteriormente, bem como explorar muitos outros fenômenos eletrônicos também. O dispositivo elegante também facilita o estudo de uma variedade de diferentes cristais de van der Waals e outros materiais quânticos.

Do problema à solução

Após a descoberta dos efeitos de torção, as pessoas estavam interessadas em experimentar materiais em diferentes ângulos de torção. No entanto, eles tiveram que passar pelo meticuloso processo de produzir cada dispositivo novamente para cada ângulo de torção. Embora tenha sido possível torcer através de ângulos em um único dispositivo, a torção tende a ficar travada em certos ângulos onde, basicamente, o jogo termina para o experimento. No microscópio de torção quântica, o material atomicamente fino na ponta tem forte adesão ao longo dos lados da ponta, bem como na extremidade, de modo que as forças resultantes superam facilmente a atração entre as duas camadas de cristal de van der Waal da sonda e da amostra, mesmo para estes ângulos de torção mais atraentes. Foram desafios de fabricação como esses que os pesquisadores de Weizmann se propuseram originalmente a enfrentar.

A descoberta do “grafeno de ângulo mágico” que se comporta como um supercondutor de alta temperatura é Mundo da física Revelação do ano de 2018

Pioneiro do grafeno torcido Cory Dean, que não esteve envolvido nesta pesquisa, descreve como parte da compreensão mais detalhada dos sistemas de camadas torcidas vem da varredura de sondas sobre eles. Desta forma, cada região com a sua torção única, embora descontrolada, pode ser identificada e tratada como um dispositivo próprio. “Na abordagem Weizmann, eles deram este passo para uma nova direção realmente criativa, onde o controle do ângulo de torção e a análise espectroscópica são integrados na mesma plataforma”, diz Dean, que está na Universidade de Columbia. “Esta ideia, de que o dispositivo é também o instrumento, é uma combinação rara e excitante em sistemas de matéria condensada.” Ele destaca ainda que o dispositivo não se limita a sistemas de camadas torcidas.

Ilani diz sobre a invenção de sua equipe: “Para ser honesto, toda semana descobrimos um novo tipo de medição que você pode fazer com o microscópio de torção quântica – é uma ferramenta muito versátil”. Por exemplo, os pesquisadores também podem pressionar a ponta para baixo para explorar os efeitos da pressão, o que diminui a distância entre as camadas de van der Waals. “Existem experimentos em materiais 2D feitos com pressão, também no contexto do grafeno de ângulo mágico”, diz Birkbeck, ao se referir a experimentos com pistões em câmaras de óleo mergulhadas em baixas temperaturas que precisam ser zerados do zero para cada valor de pressão. “Alcançamos pressões comparáveis ​​com o microscópio de torção quântica, mas agora com a capacidade de ajustá-lo de forma rápida e contínua no local. "

Os resultados são relatados em Natureza.

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