Skenirna sonda z zasukom opazuje valovito obnašanje elektrona

Ko vrstični tunelski mikroskop je debitiral v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, rezultat pa je bila eksplozija v raziskavah nanotehnologije in kvantnih naprav. Od takrat so bile razvite druge vrste mikroskopov z vrstično sondo in skupaj so raziskovalcem pomagali oblikovati teorije o transportu elektronov. Toda te tehnike sondirajo elektrone na eni sami točki in jih tako opazujejo kot delce in samo posredno vidijo njihovo valovno naravo. Zdaj so raziskovalci na Weizmannovem inštitutu za znanost v Izraelu izdelali novo skenirno sondo – kvantni vrtljivi mikroskop – ki neposredno zazna kvantne valovne značilnosti elektronov.

»To je pravzaprav konica sonde za skeniranje z interferometrom na vrhu,« pravi Šahal Ilani, vodja ekipe. Raziskovalci prekrivajo konico skenirne sonde z ultratankim grafitom, heksagonalnim borovim nitridom in van der Waalsovim kristalom, kot je grafen, ki se udobno prevrnejo čez konico kot šotor z ravnim vrhom približno 200 nm v premeru. Ravni konec je ključen za delovanje interferometra naprave. Namesto tuneliranja elektronov med eno točko vzorca in konico lahko valovna funkcija elektronov tunelira čez več točk hkrati.

"Precej presenetljivo smo ugotovili, da se ravni konec naravno vrti, tako da je vedno vzporeden z vzorcem," pravi John Birkbeck, ustreznega avtorja prispevka, ki opisuje to delo. To je sreča, ker bi kakršno koli nagibanje spremenilo razdaljo predora in s tem trdnost z ene strani planote na drugo. "Prav interferenca teh tunelskih poti, kot je opredeljeno v izmerjenem toku, daje napravi edinstveno funkcijo sondiranja kvantnih valov," pravi Birkbeck.

Poskus z dvojno režo

Ta interferenca je analogna učinkom izstreljevanja elektronov na zaslon z dvema režama v njem, kot je slavni Youngov eksperiment z dvojno režo, kot Erez Berg pojasnjuje. Berg, skupaj z Ady Stern, Binghai Yan in Yuval Oreg vodil teoretično razumevanje novega instrumenta.

Če izmerite, skozi katero režo gre delec – kot se zgodi pri meritvah drugih tehnik skeniranja sonde – se obnašanje valov izgubi in vidite le delec. Vendar, če pustite delec, da gre mimo s položajem križanja, neopaženega, dve razpoložljivi poti ustvarita vzorec konstruktivne in destruktivne interference, kot valovi, ki valovijo iz dveh kamenčkov, padlih v ribnik enega poleg drugega.

»Ker lahko elektron tunelira samo tam, kjer se njegov zagon ujema med sondo in vzorcem, naprava neposredno meri ta parameter, ki je ključen za teorije, ki pojasnjujejo kolektivno vedenje elektronov,« pravi Berg.

Pravzaprav zamisel o merjenju zagona elektrona z uporabo interference njegovih razpoložljivih tunelskih poti izvira iz dela Jim Eisenstein na Caltechu v devetdesetih letih. Vendar pa Weizmannovi raziskovalci premaknejo stvari v več prestav z nekaterimi ključnimi inovacijami, zahvaljujoč dvema eksplozivnima razvojnima dosežkoma od takrat. To so izolacija grafena spodbujanje raziskav podobnih atomsko tankih van der Waalsovih kristalov; in naslednje eksperimentalno opazovani učinki zasuka v orientaciji slojevitih van der Waalsovih materialov.

Ko so materiali, kot je grafen, prekriti z zavojem, tvorijo moiré mrežo, tako imenovano po tekstilu, kjer je mreža tkanine nekoliko neregistrirana in ima smešne učinke na vaše oči. Elektroni v teh moiré 2D materialih so podvrženi potencialu te dodatne umetne moiré mreže, ki ima periodo, določeno s kotom zasuka. Zato zvijanje skozi relativne kote med dvema plastema van der Waalsovega kristala z uporabo piezoelektričnega rotatorja na kvantnem vrtljivem mikroskopu omogoča merjenje veliko širšega razpona gibalne količine, kot je bilo mogoče s prej uporabljenimi magnetnimi polji, ter raziskovanje mnogih tudi drugi elektronski pojavi. Naprava natty prav tako olajša preučevanje vrste različnih van der Waalsovih kristalov in drugih kvantnih materialov.

Od problema do rešitve

Po odkritju učinkov zasuka so ljudje želeli eksperimentirati z materiali pod različnimi koti zasuka. Vendar so morali iti skozi mukotrpen proces izdelave vsake naprave na novo za vsak kot zasuka. Čeprav je bilo zvijanje pod koti možno z eno samo napravo, se zasuk ponavadi zaklene pod določenimi koti, pri čemer je v bistvu igre konec za poskus. V kvantnem vrtljivem mikroskopu ima atomsko tanek material na konici močan oprijem vzdolž stranic konice in na koncu, tako da neto sile zlahka odtehtajo privlačnost med obema van der Waalovim kristalnim plastema sonde in vzorca, tudi za te najbolj privlačni koti zasuka. Weizmannovi raziskovalci so se prvotno lotili izzivov izdelave, kot je ta.

Odkritje grafena "magičnega kota", ki se obnaša kot visokotemperaturni superprevodnik, je Svet fizike Preboj leta 2018

Zvit grafenski pionir Cory Dean, ki ni bil vključen v to raziskavo, opisuje, kako nekaj najbolj podrobnega razumevanja sistemov zasukanih plasti prihaja iz skeniranja sond nad njimi. Na ta način je mogoče vsako regijo s svojim edinstvenim, čeprav nenadzorovanim zasukom identificirati in obravnavati kot lastno napravo. »V Weizmannovem pristopu so naredili ta korak v resnično kreativno novo smer, kjer sta nadzor kota zasuka in spektroskopska analiza integrirani v isto platformo,« pravi Dean, ki je na univerzi Columbia. "Ta ideja, da je naprava tudi instrument, je redka in vznemirljiva kombinacija v sistemih kondenzirane snovi." Poudarja tudi, da naprava ni omejena na sisteme zasukanih plasti.

Ilani o izumu svoje ekipe pravi: »Če sem iskren, vsak teden odkrijemo novo vrsto meritev, ki jih lahko izvajate s kvantnim zvijajočim se mikroskopom – to je zelo vsestransko orodje«. Na primer, raziskovalci lahko tudi pritisnejo konico navzdol, da raziščejo učinke pritiska, ki zmanjša razdaljo med van der Waalsovimi plastmi. »Obstajajo poskusi na 2D materialih, ki se izvajajo s pritiskom, tudi v kontekstu grafena s čarobnim kotom,« pravi Birkbeck, ko omenja poskuse z bati v oljnih komorah, potopljenih na nizke temperature, ki jih je treba ponastaviti iz nič za vsako vrednost tlaka. »S kvantnim vrtljivim mikroskopom smo dosegli primerljive pritiske, vendar zdaj z možnostjo hitrega in neprekinjenega prilagajanja situ«.

Rezultati so objavljeni v Narava.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/