Скануючий зонд із поворотом спостерігає хвилеподібну поведінку електрона

Коли скануючий тунельний мікроскоп дебютував у 1980-х роках, результатом став вибух у нанотехнологіях і дослідженнях квантових пристроїв. З того часу були розроблені інші типи скануючих зондових мікроскопів, і разом вони допомогли дослідникам конкретизувати теорії транспорту електронів. Але ці методи досліджують електрони в одній точці, таким чином спостерігаючи їх як частинки, і лише опосередковано бачачи їх хвильову природу. Тепер дослідники з Інституту науки Вейцмана в Ізраїлі створили новий скануючий зонд – квантовий скручувальний мікроскоп, який безпосередньо виявляє квантові хвильові характеристики електронів.

«Це фактично скануючий наконечник зонда з інтерферометром на вершині», — каже Шахал Ілані, керівник групи. Дослідники покрили наконечник скануючого зонда ультратонким графітом, гексагональним нітридом бору та кристалом Ван-дер-Ваальса, наприклад графеном, які зручно перекидалися над наконечником, як намет із плоскою вершиною діаметром близько 200 нм. Плоский кінець є ключовим для функції інтерферометра пристрою. Замість тунелювання електронів між однією точкою зразка та кінчиком, хвильова функція електронів може тунелювати в кількох точках одночасно.

«Дуже несподівано ми виявили, що плоский кінець природним чином повертається так, що він завжди паралельний зразку», — говорить Джон Біркбек, відповідний автор статті, що описує цю роботу. Це добре, тому що будь-який нахил змінить відстань проходження тунелю і, отже, силу від одного боку плато до іншого. «Саме інтерференція цих тунельних шляхів, визначених у виміряному струмі, дає пристрою унікальну функцію квантового хвильового зондування», — каже Біркбек.

Подвійний щілинний експеримент

Ця інтерференція аналогічна ефектам вистрілювання електронів на екран із двома щілинами, як-от знаменитий експеримент Юнга з подвійною щілиною, як Ерез Берг пояснює. Берг, разом з Аді Стерн, Бінхай Янь та Юваль Орег керував теоретичним осмисленням нового інструменту.

Якщо ви вимірюєте, через яку щілину проходить частинка – як це відбувається з вимірюваннями інших методів скануючого зонда – поведінка хвилі втрачається, і ви бачите лише частинку. Однак, якщо залишити частинку так, щоб вона пройшла непоміченою, два доступні шляхи створять структуру конструктивної та деструктивної інтерференції, подібну до хвиль, що випливають із двох камінчиків, опущених у ставок поруч.

«Оскільки електрон може тунелювати лише там, де його імпульс збігається між зондом і зразком, пристрій безпосередньо вимірює цей параметр, який є ключовим для теорій, що пояснюють колективну поведінку електронів», — говорить Берг.

Насправді ідея вимірювання імпульсу електрона за допомогою інтерференції його доступних шляхів тунелювання сходить до роботи Джим Ейзенштейн в Каліфорнійському технологічному інституті в 1990-х роках. Однак дослідники Вейцмана зрушили ситуацію на кілька передач, впровадивши деякі ключові інновації завдяки двом вибуховим розробкам. Це ізоляція графену спонукання до дослідження подібних атомарно тонких кристалів Ван-дер-Ваальса; і наступні експериментально спостережувані ефекти скручування в орієнтації шаруватих ван-дер-ваальсових матеріалів.

У складі шарів такі матеріали, як графен, утворюють решітку муару, названу так на честь текстилю, де сітка тканини трохи не реєструється та має кумедні ефекти на ваших очах. Електрони в цих муарових двовимірних матеріалах піддаються впливу потенціалу цієї додаткової штучної решітки муару, період якої визначається кутом закручування. Таким чином, скручування на відносні кути між двома шарами кристала Ван-дер-Ваальса за допомогою п’єзоелектричного ротатора на квантовому скручуючому мікроскопі дає змогу виміряти набагато ширший діапазон імпульсу, ніж це було можливо за допомогою магнітних полів, які використовувалися раніше, а також досліджувати багато також інші електронні явища. Пристрій Natty також дозволяє легко вивчати низку різних кристалів Ван-дер-Ваальса та інших квантових матеріалів.

Від проблеми до рішення

Після відкриття ефекту скручування люди захотіли експериментувати з матеріалами під різними кутами скручування. Однак їм довелося пройти через кропіткий процес виробництва кожного пристрою заново для кожного кута закручування. Незважаючи на те, що можна було скручувати під різними кутами на одному пристрої, скручування має тенденцію фіксуватися під певними кутами, де, в основному, гра закінчена для експерименту. У квантовому скручуваному мікроскопі атомарно тонкий матеріал на наконечнику має міцну адгезію вздовж сторін наконечника, а також на кінці, так що сумарні сили легко переважають тяжіння між двома кристалічними шарами Ван-дер-Ваала зонда та зразка, навіть для цих найпривабливіші кути закручування. Дослідники Вейцмана спочатку мали на меті вирішити такі проблеми виготовлення.

Відкриття «графена з магічним кутом», який поводиться як високотемпературний надпровідник, Світ фізики Прорив 2018 року

Кручений графен піонер Корі Дін, який не брав участі в цьому дослідженні, описує, як деякі з найбільш детального розуміння систем скручених шарів приходять завдяки скануванню зондів над ними. Таким чином кожен регіон із його унікальним, хоча й неконтрольованим поворотом, можна ідентифікувати та розглядати як власний пристрій. «У підході Вейцмана вони зробили цей крок у дійсно творчому новому напрямку, де контроль кута закручування та спектроскопічний аналіз інтегровані в одну платформу», — каже Дін, який працює в Колумбійському університеті. «Ця ідея про те, що пристрій також є інструментом, є рідкісною та захоплюючою комбінацією в системах конденсованого середовища». Він також підкреслює, що пристрій не обмежується системами з крученим шаром.

Ілані каже про винахід своєї команди: «Чесно кажучи, кожного тижня ми відкриваємо новий тип вимірювання, який можна виконувати за допомогою квантового мікроскопа, що обертається, — це дуже універсальний інструмент». Наприклад, дослідники також можуть натиснути на кінчик вниз, щоб дослідити вплив тиску, який зменшує відстань між шарами Ван-дер-Ваальса. «Існують експерименти з 2D-матеріалами, які проводяться за допомогою тиску, також у контексті магічного кута графену», — каже Біркбек, згадуючи експерименти з поршнями в масляних камерах, занурених до низьких температур, які потрібно скидати з нуля для кожного значення тиску. «Ми досягли порівнянного тиску за допомогою квантового скручувального мікроскопа, але тепер із можливістю швидкого та постійного налаштування на місці».

Про результати повідомляє в природа.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/