Sonda de scanare cu o răsucire observă comportamentul ondulatoriu al electronului

Cand microscop tunel de scanare și-a făcut debutul în anii 1980, rezultatul a fost o explozie în cercetarea nanotehnologiei și a dispozitivelor cuantice. De atunci, au fost dezvoltate și alte tipuri de microscoape cu sondă de scanare și împreună au ajutat cercetătorii să concretizeze teoriile despre transportul electronilor. Dar aceste tehnici sondează electronii într-un singur punct, observându-i astfel ca particule și văzând doar indirect natura lor ondulatorie. Acum, cercetătorii de la Institutul de Știință Weizmann din Israel au construit o nouă sondă de scanare – microscopul cuantic de răsucire – care detectează direct caracteristicile undelor cuantice ale electronilor.

„Este efectiv un vârf de sondă de scanare cu un interferometru la vârf”, spune Shahal Ilani, liderul echipei. Cercetătorii suprapun un vârf al sondei de scanare cu grafit ultrasubțire, nitrură de bor hexagonală și un cristal Van der Waals, cum ar fi grafenul, care se răstoarnă în mod convenabil peste vârf ca un cort cu un vârf plat de aproximativ 200 nm. Capătul plat este cheia funcției interferometrului dispozitivului. În loc de un tunel de electroni între un punct din eșantion și vârf, funcția de undă a electronului poate traversa mai multe puncte simultan.

„Destul de surprinzător, am descoperit că capătul plat pivotează în mod natural, astfel încât să fie întotdeauna paralel cu proba”, spune John Birkbeck, autorul corespondent al unei lucrări care descrie această lucrare. Acest lucru este norocos, deoarece orice înclinare ar modifica distanța de tunel și, prin urmare, puterea de la o parte la alta a platoului. „Interferența acestor căi de tunel, așa cum este identificată în curentul măsurat, conferă dispozitivului funcția sa unică de sondare a undelor cuantice”, spune Birkbeck.

Experiment cu dublă fantă

Această interferență este analogă cu efectele declanșării electronilor către un ecran cu două fante în el, cum ar fi celebrul experiment cu dublă fantă al lui Young, ca Erez Berg explică. Berg, împreună cu Ady Stern, Binghai Yan și Yuval Oreg a condus înțelegerea teoretică a noului instrument.

Dacă măsurați prin ce fantă trece particula - așa cum se întâmplă cu măsurătorile altor tehnici cu sonde de scanare - comportamentul undei se pierde și tot ce vedeți este particula. Cu toate acestea, dacă lăsați particula să treacă cu poziția de trecere nedetectată, cele două căi disponibile produc un model de interferență constructivă și distructivă, precum valurile care se unduiesc din două pietricele aruncate într-un iaz una lângă alta.

„Deoarece electronul poate doar tunel acolo unde impulsul său se potrivește între sondă și probă, dispozitivul măsoară direct acest parametru, care este cheie pentru teoriile care explică comportamentul electronilor colectivi”, spune Berg.

De fapt, ideea de a măsura impulsul unui electron folosind interferența rutelor sale disponibile de tunel datează din munca lui Jim Eisenstein la Caltech în anii 1990. Cu toate acestea, cercetătorii Weizmann trec lucrurile în mai multe trepte cu unele inovații cheie datorită a două dezvoltări explozive de atunci. Acestea sunt izolarea grafenului stimularea cercetării asupra unor cristale van der Waals similare subțiri atomice; iar ulterior efectele observate experimental ale unei răsuciri în orientarea materialelor stratificate van der Waals.

Atunci când sunt stratificate cu o răsucire, materiale precum grafenul formează o rețea moiré, numită așa după textilele în care plasa țesăturii este ușor deplasată și are efecte amuzante asupra ochilor tăi. Electronii din aceste materiale moiré 2D sunt supuși potențialului acestei rețele moiré artificiale suplimentare, care are o perioadă determinată de unghiul de răsucire. Prin urmare, răsucirea prin unghiurile relative dintre două straturi de cristal Van der Waals folosind un rotator piezoelectric la microscopul cuantic de răsucire, face posibilă măsurarea unui interval mult mai mare de impuls decât era posibil cu câmpurile magnetice utilizate anterior, precum și explorarea multor și alte fenomene electronice. Dispozitivul Natty facilitează, de asemenea, studiul unei game de cristale Van der Waals și a altor materiale cuantice.

De la problemă la soluție

În urma descoperirii efectelor de răsucire, oamenii au fost dornici să experimenteze cu materiale în diferite unghiuri de răsucire. Cu toate acestea, au trebuit să treacă prin procesul minuțios de a produce din nou fiecare dispozitiv pentru fiecare unghi de răsucire. Deși a fost posibil să răsuciți prin unghiuri este un singur dispozitiv, răsucirea tinde să se blocheze la anumite unghiuri, unde, practic, jocul este terminat pentru experiment. În microscopul cu răsucire cuantică, materialul subțire din punct de vedere atomic de pe vârf are o aderență puternică de-a lungul laturilor vârfului, precum și de-a lungul capătului, astfel încât forțele nete depășesc cu ușurință atracția dintre cele două straturi de cristal van der Waal ale sondei și probă, chiar și pentru acestea. cele mai atractive unghiuri de răsucire. Cercetătorii Weizmann și-au propus inițial să le abordeze provocările de fabricație ca acestea.

Descoperirea „grafenului cu unghi magic” care se comportă ca un supraconductor la temperatură înaltă este Lumea fizicii Descoperirea anului 2018

Pionier al grafenului răsucit Cory Dean, care nu a fost implicat în această cercetare, descrie modul în care unele dintre cele mai detaliate înțelegere a sistemelor de straturi răsucite provin din scanarea sondelor peste ele. În acest fel, fiecare regiune cu răsucirea sa unică, deși necontrolată, poate fi identificată și tratată ca un dispozitiv propriu. „În abordarea Weizmann, ei au făcut acest pas către o nouă direcție cu adevărat creativă, în care controlul unghiului de răsucire și analiza spectroscopică sunt integrate în aceeași platformă”, spune Dean, care este la Universitatea Columbia. „Această idee, că dispozitivul este și instrumentul, este o combinație rară și interesantă în sistemele de materie condensată.” El subliniază, de asemenea, că dispozitivul nu se limitează la sisteme de straturi răsucite.

Ilani spune despre invenția echipei sale: „Pentru a fi sincer, în fiecare săptămână, descoperim un nou tip de măsurare pe care îl puteți face cu microscopul cuantic de răsucire – este un instrument foarte versatil”. De exemplu, cercetătorii pot apăsa vârful în jos pentru a explora efectele presiunii, care scade distanța dintre straturile van der Waals. „Există experimente pe materiale 2D făcute cu presiune, și în contextul grafenului cu unghi magic”, spune Birkbeck, deoarece se referă la experimente cu pistoane în camere de ulei plonjate la temperaturi scăzute care trebuie resetate de la zero pentru fiecare valoare a presiunii. „Am atins presiuni comparabile cu microscopul cuantic de răsucire, dar acum avem capacitatea de a-l regla rapid și continuu in situ. "

Rezultatele sunt raportate în Natură.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/