Skanningssond med en vridning observerar elektronens vågliknande beteende

När scanning tunnelmikroskop gjorde sin debut på 1980-talet blev resultatet en explosion inom nanoteknik och forskning om kvantenheter. Sedan dess har andra typer av scanningsprobmikroskop utvecklats och tillsammans har de hjälpt forskare att konkretisera teorier om elektrontransport. Men dessa tekniker sonderar elektroner vid en enda punkt, och observerar dem därigenom som partiklar och ser bara deras vågnatur indirekt. Nu har forskare vid Weizmann Institute of Science i Israel byggt en ny skanningssond – kvantvridmikroskopet – som detekterar elektronernas kvantvågsegenskaper direkt.

"Det är i själva verket en scanningsprobspets med en interferometer i spetsen", säger Shahal Ilani, lagledaren. Forskarna överlagrar en skanningsprobspets med ultratunn grafit, hexagonal bornitrid och en van der Waals-kristall som grafen, som bekvämt floppar över spetsen som ett tält med en platt topp på cirka 200 nm tvärs över. Den platta änden är nyckeln till enhetens interferometerfunktion. Istället för att en elektron tunnlar mellan en punkt i provet och spetsen, kan elektronvågsfunktionen tunnla över vid flera punkter samtidigt.

"Ganska överraskande fann vi att den platta änden naturligt svänger så att den alltid är parallell med provet", säger John Birkbeck, motsvarande författare till en artikel som beskriver detta arbete. Detta är tur eftersom varje lutning skulle förändra tunnelavståndet och därmed styrkan från ena sidan av platån till den andra. "Det är interferensen av dessa tunnelbanor, som identifieras i den uppmätta strömmen, som ger enheten dess unika kvantvågsundersökningsfunktion", säger Birkbeck.

Dubbelslitsexperiment

Denna interferens är analog med effekterna av att avfyra elektroner mot en skärm med två slitsar i den, som det berömda Youngs dubbelslitsexperiment, som Erez Berg förklarar. Berg, tillsammans med Ady Stern, Binghai Yan och Yuval Oreg ledde den teoretiska förståelsen av det nya instrumentet.

Om du mäter vilken slits partikeln passerar genom – precis som vad som händer med mätningarna av andra scanningsprobtekniker – går vågbeteendet förlorat och allt du ser är partikeln. Men om du lämnar partikeln att passera med dess korsningsposition oupptäckt, producerar de två tillgängliga vägarna ett mönster av konstruktiv och destruktiv interferens som vågorna som skvalpar ut från två småstenar som tappats i en damm sida vid sida.

"Eftersom elektronen bara kan tunnla där dess rörelsemängd matchar sonden och provet, mäter enheten direkt denna parameter, vilket är nyckeln till teorier som förklarar kollektivt elektronbeteende", säger Berg.

Faktum är att idén om att mäta en elektrons rörelsemängd med hjälp av interferensen från dess tillgängliga tunnelvägar går tillbaka till arbetet med Jim Eisenstein på Caltech på 1990-talet. Men Weizmann-forskarna flyttar upp saker och ting flera växlar med några viktiga innovationer tack vare två explosiva utvecklingar sedan dess. Dessa är isoleringen av grafen föranledde forskning om liknande atomärt tunna van der Waals-kristaller; och den efterföljande experimentellt observerade effekter av en twist i orienteringen av skiktade van der Waals-material.

När de skiktas med en twist, bildar material som grafen ett moirégitter, så uppkallat efter textilier där tygets mesh är något ur register och har roliga effekter på dina ögon. Elektronerna i dessa moiré 2D-material utsätts för potentialen hos detta ytterligare konstgjorda moirégitter, som har en period som bestäms av vridningsvinkeln. Vridning genom de relativa vinklarna mellan två lager av van der Waals-kristall med hjälp av en piezoelektrisk rotator på kvantvridningsmikroskopet gör det därför möjligt att mäta ett mycket bredare intervall i rörelsemängd än vad som var möjligt med de magnetiska fälten som användes tidigare, såväl som att utforska många även andra elektroniska fenomen. Den natty enheten gör det också enkelt att studera en rad olika van der Waals-kristaller och andra kvantmaterial.

Från problem till lösning

Efter upptäckten av vridningseffekter var människor angelägna om att experimentera med material i olika vridningsvinklar. Men de var tvungna att gå igenom den mödosamma processen att producera varje enhet på nytt för varje vridningsvinkel. Även om det hade varit möjligt att vrida genom vinklar är en enda enhet, tenderar vridningen att låsa sig vid vissa vinklar där det i princip är game over för experimentet. I kvantvridmikroskopet har det atomärt tunna materialet på spetsen stark vidhäftning längs spetssidorna såväl som änden, så att nettokrafterna lätt uppväger attraktionen mellan de två van der Waal-kristallskikten av sond och prov, även för dessa mest attraktiva vridningsvinklar. Det var tillverkningsutmaningar som dessa som Weizmann-forskarna ursprungligen hade tänkt ta sig an.

Upptäckten av "magisk vinkelgrafen" som beter sig som en högtemperatursupraledare är Fysikvärlden Årets genombrott 2018

Pionjär i vriden grafen Cory Dean, som inte var involverad i denna forskning, beskriver hur en del av den mest detaljerade förståelsen av system med vridna lager kommer från att skanna sonder över dem. På så sätt kan varje region med sin unika om än okontrollerade twist identifieras och behandlas som sin egen enhet. "I Weizmann-metoden har de tagit det här steget till en riktigt kreativ ny riktning där vridvinkelkontrollen och spektroskopisk analys är integrerade i samma plattform", säger Dean, som är vid Columbia University. "Denna idé, att enheten också är instrumentet, är en sällsynt och spännande kombination i system med kondenserad materia." Han framhåller också att enheten inte är begränsad till system med vridna lager.

Ilani säger om sitt teams uppfinning: "För att vara ärlig varje vecka upptäcker vi en ny typ av mätning som du kan göra med kvantvridmikroskopet - det är ett mycket mångsidigt verktyg". Forskarna kan till exempel också trycka ner spetsen för att utforska effekterna av tryck, vilket minskar avståndet mellan van der Waals lager. "Det finns experiment på 2D-material gjorda med tryck, även i samband med magisk vinkelgrafen", säger Birkbeck, när han syftar på experiment med kolvar i oljekammare nedsänkta till låga temperaturer som måste återställas från början för varje tryckvärde. "Vi har nått jämförbara tryck med kvantvridmikroskopet men nu med förmågan att snabbt och kontinuerligt ställa in det in situ. "

Resultaten redovisas i Natur.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/