Сканирующий зонд с поворотом наблюдает волнообразное поведение электрона

Когда сканирующий туннельный микроскоп дебютировала в 1980-х годах, результатом стал взрыв в области нанотехнологий и исследований квантовых устройств. С тех пор были разработаны другие типы сканирующих зондовых микроскопов, и вместе они помогли исследователям конкретизировать теории переноса электронов. Но эти методы исследуют электроны в одной точке, тем самым наблюдая их как частицы и лишь косвенно видя их волновую природу. Теперь исследователи из Института науки Вейцмана в Израиле построили новый сканирующий зонд — квантовый твистирующий микроскоп — который напрямую определяет квантово-волновые характеристики электронов.

«По сути, это наконечник сканирующего зонда с интерферометром на его вершине», — говорит Шахал Илани, лидер команды. Исследователи покрыли наконечник сканирующего зонда ультратонким графитом, гексагональным нитридом бора и кристаллом Ван-дер-Ваальса, таким как графен, которые удобно нависают над наконечником, как палатка с плоской вершиной около 200 нм в поперечнике. Плоский конец является ключом к функции интерферометра устройства. Вместо туннелирования электрона между одной точкой образца и иглой волновая функция электрона может туннелировать одновременно в нескольких точках.

«К нашему удивлению, мы обнаружили, что плоский конец естественным образом поворачивается так, что он всегда параллелен образцу», — говорит он. Джон Биркбек, соответствующий автор статьи, описывающей эту работу. Это удачно, потому что любой наклон изменит расстояние туннелирования и, следовательно, силу от одной стороны плато к другой. «Именно интерференция этих туннельных путей, выявленная в измеренном токе, дает устройству его уникальную функцию квантово-волнового зондирования», — говорит Биркбек.

Двухщелевой эксперимент

Эта интерференция аналогична эффекту выстреливания электронами экрана с двумя щелями, подобно знаменитому эксперименту Юнга с двумя щелями. Эрез Берг объясняет. Берг вместе с Эди Стерн, Бинхай Ян и Юваль Орег руководил теоретическим осмыслением нового инструмента.

Если вы измерите, через какую щель проходит частица — как это происходит при измерениях с помощью других методов сканирующего зонда — волновое поведение потеряется, и все, что вы увидите, — это частица. Однако, если вы оставите частицу двигаться с незамеченным положением пересечения, два доступных пути создадут шаблон конструктивной и деструктивной интерференции, подобно волнам, которые исходят от двух камешков, брошенных в пруд рядом.

«Поскольку электрон может туннелировать только там, где его импульс совпадает между зондом и образцом, устройство напрямую измеряет этот параметр, который является ключевым для теорий, объясняющих коллективное поведение электронов», — говорит Берг.

На самом деле идея измерения импульса электрона с использованием интерференции его доступных путей туннелирования восходит к работе Джим Эйзенштейн в Калифорнийском технологическом институте в 1990-е годы.. Тем не менее, исследователи Вейцмана продвинулись вперед на несколько шагов с некоторыми ключевыми инновациями благодаря двум взрывным разработкам с тех пор. Эти выделение графена стимулирование исследований подобных ван-дер-ваальсовых кристаллов атомарной толщины; и последующие экспериментально наблюдаемые эффекты поворота в ориентации слоистых ван-дер-ваальсовых материалов.

При наложении с изгибом такие материалы, как графен, образуют муаровую решетку, названную так в честь текстиля, в котором сетка ткани немного не соответствует регистру и производит забавный эффект на ваши глаза. Электроны в этих муаровых двумерных материалах подвергаются воздействию потенциала этой дополнительной искусственной муаровой решетки, период которой определяется углом закручивания. Следовательно, скручивание через относительные углы между двумя слоями кристалла Ван-дер-Ваальса с использованием пьезоэлектрического вращателя на квантовом скручивающем микроскопе позволяет измерять импульс в гораздо более широком диапазоне, чем это было возможно с магнитными полями, использовавшимися ранее, а также исследовать многие другие электронные явления тоже. Удобное устройство также упрощает изучение ряда различных кристаллов Ван-дер-Ваальса и других квантовых материалов.

От проблемы к решению

После открытия эффекта закручивания люди стали экспериментировать с материалами под разными углами закручивания. Однако им пришлось пройти через кропотливый процесс изготовления каждого устройства заново для каждого угла поворота. Хотя было возможно поворачивать под разными углами на одном устройстве, поворот имеет тенденцию блокироваться под определенными углами, где, по сути, игра для эксперимента окончена. В квантовом микроскопе скручивания атомарно тонкий материал на игле имеет сильную адгезию вдоль сторон иглы, а также на конце, так что результирующие силы легко перевешивают притяжение между двумя слоями ван-дер-ваальсовых кристаллов зонда и образца, даже для этих наиболее привлекательные углы поворота. Исследователи Вейцмана изначально намеревались решить именно такие производственные проблемы.

Обнаружен «графен с магическим углом», который ведет себя как высокотемпературный сверхпроводник. Мир физики Прорыв года 2018

Пионер скрученного графена Кори Дин, не участвовавший в этом исследовании, описывает, как некоторые из наиболее подробных сведений о системах скрученных слоев получаются при сканировании над ними зондов. Таким образом, каждая область с ее уникальным, хотя и неконтролируемым поворотом может быть идентифицирована и рассматриваться как отдельное устройство. «В подходе Вейцмана они сделали этот шаг к действительно творческому новому направлению, когда контроль угла поворота и спектроскопический анализ интегрированы в одну платформу», — говорит Дин из Колумбийского университета. «Идея о том, что устройство также является инструментом, является редкой и захватывающей комбинацией в системах с конденсированным веществом». Он также подчеркивает, что устройство не ограничивается системами с витыми слоями.

Илани говорит об изобретении своей команды: «Честно говоря, каждую неделю мы открываем новый тип измерения, который можно проводить с помощью квантового микроскопа скручивания — это очень универсальный инструмент». Например, исследователи могут также надавить на наконечник, чтобы изучить влияние давления, которое уменьшает расстояние между ван-дер-ваальсовыми слоями. «Есть эксперименты с двумерными материалами, проводимые под давлением, в том числе в контексте графена под магическим углом», — говорит Биркбек, имея в виду эксперименты с поршнями в масляных камерах, погруженных в низкие температуры, которые необходимо сбрасывать с нуля для каждого значения давления. «Мы достигли сравнимых давлений с помощью квантового микроскопа скручивания, но теперь у нас есть возможность быстро и непрерывно настраивать его. на месте".

Результаты сообщаются в природа.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/