โพรบสแกนที่มีการบิดจะสังเกตพฤติกรรมคล้ายคลื่นของอิเล็กตรอน

เมื่อราคาของ กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกน เปิดตัวครั้งแรกในทศวรรษที่ 1980 ผลที่ตามมาคือการระเบิดของนาโนเทคโนโลยีและการวิจัยอุปกรณ์ควอนตัม ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา กล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกนชนิดอื่นๆ ก็ได้รับการพัฒนาขึ้น และร่วมกันได้ช่วยให้นักวิจัยสรุปทฤษฎีการขนส่งอิเล็กตรอน แต่เทคนิคเหล่านี้ตรวจสอบอิเล็กตรอน ณ จุดเดียว ดังนั้นจึงสังเกตพวกมันเป็นอนุภาคและมองเห็นธรรมชาติของคลื่นโดยอ้อมเท่านั้น ตอนนี้ นักวิจัยจาก Weizmann Institute of Science ในอิสราเอลได้สร้างโพรบการสแกนแบบใหม่ ซึ่งก็คือกล้องจุลทรรศน์บิดควอนตัม ซึ่งตรวจจับลักษณะคลื่นควอนตัมของอิเล็กตรอนได้โดยตรง

“มันเป็นหัวโพรบสแกนที่มีประสิทธิภาพโดยมีอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์อยู่ที่ปลายสุด” กล่าว ชาฮาล อิลานี,หัวหน้าทีม. นักวิจัยวางปลายโพรบสแกนด้วยกราไฟต์บางเฉียบ โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม และผลึกแวนเดอร์วาลส์ เช่น กราฟีน ซึ่งปัดผ่านปลายอย่างสะดวกเหมือนเต็นท์ที่มียอดแบนประมาณ 200 นาโนเมตร ปลายแบนเป็นกุญแจสู่ฟังก์ชันอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ของอุปกรณ์ แทนที่จะใช้อุโมงค์อิเล็กตรอนระหว่างจุดหนึ่งในตัวอย่างและส่วนปลาย ฟังก์ชันคลื่นอิเล็กตรอนสามารถขุดอุโมงค์ผ่านหลายจุดพร้อมกันได้

“ค่อนข้างน่าแปลกใจที่เราพบว่าปลายแบนหมุนตามธรรมชาติเพื่อให้ขนานกับตัวอย่างเสมอ” กล่าว จอห์น เบิร์กเบ็คผู้เขียนที่เกี่ยวข้องของเอกสารที่อธิบายงานนี้ นี่เป็นโชคดีเพราะการเอียงใด ๆ จะเปลี่ยนระยะทางการขุดอุโมงค์และด้วยเหตุนี้ความแข็งแกร่งจากด้านหนึ่งของที่ราบสูงไปยังอีกด้านหนึ่ง “การรบกวนของเส้นทางการขุดอุโมงค์เหล่านี้ตามที่ระบุในกระแสที่วัดได้ ซึ่งทำให้อุปกรณ์มีฟังก์ชันการตรวจสอบคลื่นควอนตัมที่ไม่เหมือนใคร” Birkbeck กล่าว

การทดลองแบบกรีดสองครั้ง

การรบกวนนี้คล้ายคลึงกับผลกระทบของการยิงอิเล็กตรอนที่หน้าจอที่มีช่องสองช่องในนั้น เช่นเดียวกับการทดลองช่องสองช่องของ Young ที่มีชื่อเสียง เช่น เอเรซ เบิร์ก อธิบาย เบิร์กร่วมกับ อาดี สเติร์น, บิงไห่หยาน และ ยูวาล โอเร็ก นำความเข้าใจทางทฤษฎีของเครื่องมือใหม่

หากคุณวัดว่าช่องใดที่อนุภาคผ่าน เช่น สิ่งที่เกิดขึ้นกับการวัดด้วยเทคนิคการสแกนแบบอื่นๆ พฤติกรรมของคลื่นจะหายไปและสิ่งที่คุณเห็นคืออนุภาค อย่างไรก็ตาม หากคุณปล่อยให้อนุภาคผ่านไปโดยที่ตำแหน่งตัดกันไม่ถูกตรวจจับ เส้นทางทั้งสองที่มีอยู่จะสร้างรูปแบบการรบกวนเชิงสร้างสรรค์และทำลายล้าง เช่น คลื่นที่กระเพื่อมออกจากก้อนกรวดสองก้อนที่ตกลงไปในสระน้ำเคียงข้างกัน

“เนื่องจากอิเล็กตรอนสามารถอุโมงค์ได้เฉพาะเมื่อโมเมนตัมตรงกันระหว่างโพรบและตัวอย่าง อุปกรณ์จึงวัดค่าพารามิเตอร์นี้โดยตรง ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญสำหรับทฤษฎีที่อธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนร่วม” เบิร์กกล่าว

อันที่จริงแล้ว แนวคิดในการวัดโมเมนตัมของอิเล็กตรอนโดยใช้การแทรกสอดของเส้นทางการขุดอุโมงค์ที่มีอยู่นั้นมีมาตั้งแต่สมัยทำงานของ Jim Eisenstein ที่ Caltech ในปี 1990. อย่างไรก็ตาม นักวิจัยของ Weizmann ได้พัฒนาอุปกรณ์หลายตัวด้วยนวัตกรรมที่สำคัญบางอย่าง ต้องขอบคุณการพัฒนาที่ระเบิดทั้งสองครั้งตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา เหล่านี้เป็น การแยกตัวของกราฟีน กระตุ้นให้เกิดการวิจัยเกี่ยวกับผลึก van der Waals ที่บางคล้ายอะตอม และที่ตามมา ผลการทดลองที่สังเกตได้ของการบิด ในการวางแนวของวัสดุ van der Waals แบบชั้น

เมื่อบิดเป็นชั้น วัสดุต่างๆ เช่น กราฟีนจะก่อตัวเป็นตาข่ายลายมัวเร่ จึงตั้งชื่อตามสิ่งทอที่ตาข่ายของผ้าผิดเพี้ยนไปเล็กน้อยและมีเอฟเฟกต์ตลกๆ ต่อดวงตาของคุณ อิเล็กตรอนในวัสดุ moiré 2D เหล่านี้อยู่ภายใต้ศักยภาพของโครงร่าง moiré ประดิษฐ์เพิ่มเติมนี้ ซึ่งมีระยะเวลาที่กำหนดโดยมุมบิด ดังนั้นการบิดผ่านมุมสัมพัทธ์ระหว่างสองชั้นของผลึก van der Waals โดยใช้ piezoelectric rotator บนกล้องจุลทรรศน์ควอนตัมบิด ทำให้สามารถวัดช่วงโมเมนตัมได้กว้างกว่าสนามแม่เหล็กที่ใช้ก่อนหน้านี้ เช่นเดียวกับการสำรวจหลายๆ ปรากฏการณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ด้วย อุปกรณ์ที่มีคุณภาพดียังทำให้ง่ายต่อการศึกษาผลึกแวน เดอร์ วาลส์และวัสดุควอนตัมอื่นๆ ที่หลากหลาย

จากปัญหาไปสู่การแก้ปัญหา

หลังจากการค้นพบเอฟเฟกต์การบิด ผู้คนต่างกระตือรือร้นที่จะทดลองกับวัสดุในมุมบิดต่างๆ อย่างไรก็ตาม พวกเขาต้องผ่านกระบวนการอันอุตสาหะในการผลิตอุปกรณ์แต่ละชิ้นใหม่สำหรับมุมบิดแต่ละอัน แม้ว่าจะเป็นไปได้ที่จะบิดผ่านมุมเป็นอุปกรณ์ชิ้นเดียว แต่การบิดมีแนวโน้มที่จะถูกล็อคในบางมุม ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเกมจะจบลงสำหรับการทดสอบ ในกล้องจุลทรรศน์ควอนตัมบิดเกลียว วัสดุบางระดับอะตอมที่ส่วนปลายมีการยึดเกาะที่แข็งแรงทั้งด้านปลายและส่วนท้าย เพื่อให้แรงลัพธ์มีมากกว่าแรงดึงดูดระหว่างชั้นโพรบและตัวอย่างผลึกแวน เดอร์ วาล ทั้งสองชั้นได้อย่างง่ายดาย แม้แต่สำหรับสิ่งเหล่านี้ มุมบิดที่น่าดึงดูดที่สุด มันเป็นความท้าทายในการประดิษฐ์เช่นนี้ที่นักวิจัยของ Weizmann ตั้งใจไว้ว่าจะจัดการ

การค้นพบ 'กราฟีนมุมมหัศจรรย์' ที่ทำตัวเหมือนตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงคือ โลกฟิสิกส์ ความก้าวหน้าแห่งปี 2018

ผู้บุกเบิกกราฟีนบิด คอรี ดีนซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานวิจัยนี้ อธิบายว่าความเข้าใจโดยละเอียดที่สุดบางส่วนเกี่ยวกับระบบเลเยอร์บิดเบี้ยวนั้นมาจากการสแกนโพรบเหนือพวกมันอย่างไร วิธีนี้จะทำให้แต่ละภูมิภาคมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวแม้ว่าจะมีการบิดงอที่ไม่สามารถควบคุมได้ ก็สามารถระบุและปฏิบัติเสมือนเป็นอุปกรณ์ของตนเองได้ “ในแนวทางของ Weizmann พวกเขาได้ก้าวไปสู่ทิศทางใหม่ที่สร้างสรรค์จริงๆ ซึ่งการควบคุมมุมบิดและการวิเคราะห์สเปกโทรสโกปีถูกรวมเข้าไว้ในแพลตฟอร์มเดียวกัน” Dean ผู้ซึ่งอยู่ที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบียกล่าว “แนวคิดที่ว่าอุปกรณ์เป็นเครื่องมือนี้ เป็นการผสมผสานที่หาได้ยากและน่าตื่นเต้นในระบบสสารควบแน่น” นอกจากนี้เขายังเน้นย้ำว่าอุปกรณ์ไม่ได้จำกัดเฉพาะระบบชั้นบิดเกลียวเท่านั้น

Ilani กล่าวถึงสิ่งประดิษฐ์ของทีมของเขาว่า “พูดตามตรง ทุกสัปดาห์เราค้นพบการวัดรูปแบบใหม่ที่คุณสามารถทำได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ควอนตัมบิด – เป็นเครื่องมืออเนกประสงค์มาก” ตัวอย่างเช่น นักวิจัยยังสามารถกดส่วนปลายลงเพื่อสำรวจผลกระทบของแรงกด ซึ่งจะทำให้ระยะห่างระหว่างชั้น van der Waals ลดลง “มีการทดลองเกี่ยวกับวัสดุ 2 มิติที่ทำด้วยแรงดัน รวมถึงในบริบทของกราฟีนมุมมหัศจรรย์ด้วย” Birkbeck กล่าว ในขณะที่เขาอ้างถึงการทดลองกับลูกสูบในห้องน้ำมันที่ลดลงจนถึงอุณหภูมิต่ำ ซึ่งจำเป็นต้องรีเซ็ตใหม่ตั้งแต่ต้นสำหรับค่าความดันแต่ละค่า “เราได้รับแรงกดดันเทียบเท่ากับกล้องจุลทรรศน์บิดควอนตัม แต่ตอนนี้ด้วยความสามารถในการปรับแต่งได้อย่างรวดเร็วและต่อเนื่อง ในแหล่งกำเนิด".

รายงานผลใน ธรรมชาติ.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/