Đầu dò quét với một vòng xoắn quan sát hành vi giống như sóng của điện tử

Khi kính hiển vi quét đường hầm ra mắt lần đầu tiên vào những năm 1980, kết quả là sự bùng nổ trong công nghệ nano và nghiên cứu thiết bị lượng tử. Kể từ đó, các loại kính hiển vi thăm dò quét khác đã được phát triển và chúng cùng nhau giúp các nhà nghiên cứu đưa ra các lý thuyết về vận chuyển điện tử. Nhưng những kỹ thuật này thăm dò các electron tại một điểm duy nhất, do đó quan sát chúng như những hạt và chỉ nhìn thấy bản chất sóng của chúng một cách gián tiếp. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Weizmann ở Israel đã chế tạo một đầu dò quét mới – kính hiển vi xoắn lượng tử – phát hiện trực tiếp các đặc tính sóng lượng tử của các electron.

“Đó thực sự là một đầu dò quét với giao thoa kế ở đỉnh của nó,” nói Shahal Ilani, trưởng nhóm. Các nhà nghiên cứu phủ một đầu dò quét bằng than chì siêu mỏng, boron nitride hình lục giác và một tinh thể van der Waals chẳng hạn như graphene, có thể lật một cách thuận tiện trên đầu dò giống như một cái lều có đỉnh bằng phẳng có đường kính khoảng 200 nm. Đầu phẳng là chìa khóa cho chức năng giao thoa kế của thiết bị. Thay vì tạo đường hầm điện tử giữa một điểm trong mẫu và đầu, hàm sóng điện tử có thể tạo đường hầm xuyên qua nhiều điểm đồng thời.

“Khá ngạc nhiên là chúng tôi phát hiện ra rằng đầu phẳng xoay tự nhiên sao cho nó luôn song song với mẫu,” cho biết John Birkbeck, tác giả tương ứng của một bài báo mô tả công việc này. Điều này thật may mắn vì bất kỳ độ nghiêng nào cũng sẽ làm thay đổi khoảng cách đào hầm và do đó làm thay đổi sức mạnh từ bên này sang bên kia của cao nguyên. Birkbeck nói: “Chính sự giao thoa của các đường hầm này, như được xác định trong dòng điện đo được, đã mang lại cho thiết bị chức năng thăm dò sóng lượng tử độc đáo của nó.

thí nghiệm hai khe

Sự giao thoa này tương tự như hiệu ứng bắn các electron vào một màn hình có hai khe trong đó, giống như thí nghiệm hai khe nổi tiếng của Young, như Erez Berg giải thích. Berg, cùng với Ady Stern, Băng Hải Yến và Quặng Yuval đã dẫn dắt sự hiểu biết lý thuyết về nhạc cụ mới.

Nếu bạn đo xem hạt đi qua khe nào – giống như điều xảy ra với phép đo của các kỹ thuật thăm dò quét khác – hành vi sóng sẽ bị mất và tất cả những gì bạn thấy là hạt. Tuy nhiên, nếu bạn để hạt đi qua mà vị trí giao nhau của nó không bị phát hiện, thì hai quỹ đạo khả dụng sẽ tạo ra một kiểu giao thoa có tính xây dựng và có tính hủy diệt giống như sóng gợn ra từ hai viên sỏi thả cạnh nhau trong một cái ao.

Berg cho biết: “Vì electron chỉ có thể chui hầm khi động lượng của nó khớp với đầu dò và mẫu, nên thiết bị đo trực tiếp tham số này, đây là chìa khóa cho các lý thuyết giải thích hành vi tập thể của electron,” Berg nói.

Trên thực tế, ý tưởng đo động lượng của một electron bằng cách sử dụng sự giao thoa của các tuyến đường hầm có sẵn của nó đã có từ công trình của Jim Eisenstein tại Caltech vào những năm 1990. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu của Weizmann đã đẩy mọi thứ lên một số bước với một số cải tiến quan trọng nhờ hai bước phát triển bùng nổ kể từ đó. Đây là những sự cô lập của graphene thúc đẩy nghiên cứu về các tinh thể van der Waals mỏng nguyên tử tương tự; và tiếp theo hiệu ứng quan sát thực nghiệm của một xoắn theo hướng của vật liệu van der Waals phân lớp.

Khi được xếp lớp theo hình xoắn, các vật liệu như graphene tạo thành mạng moiré, nên được đặt tên theo loại vải dệt trong đó lưới của vải hơi lệch và có hiệu ứng vui mắt trên mắt bạn. Các electron trong các vật liệu moiré 2D này phải chịu điện thế của mạng moiré nhân tạo bổ sung này, mạng có chu kỳ được xác định bởi góc xoắn. Do đó, xoắn qua các góc tương đối giữa hai lớp tinh thể van der Waals bằng cách sử dụng công cụ quay áp điện trên kính hiển vi xoắn lượng tử, cho phép đo phạm vi động lượng rộng hơn nhiều so với khả năng có thể với từ trường được sử dụng trước đây, cũng như khám phá nhiều các hiện tượng điện tử khác nữa. Thiết bị đơn giản này cũng giúp dễ dàng nghiên cứu nhiều loại tinh thể van der Waals khác nhau và các vật liệu lượng tử khác.

Từ vấn đề đến giải pháp

Sau khi phát hiện ra hiệu ứng xoắn, mọi người rất muốn thử nghiệm các vật liệu ở các góc xoắn khác nhau. Tuy nhiên, họ đã phải trải qua quá trình tỉ mỉ để sản xuất lại từng thiết bị cho từng góc xoắn. Mặc dù có thể xoay qua các góc bằng một thiết bị duy nhất, nhưng việc xoay có xu hướng bị khóa ở một số góc nhất định, về cơ bản trò chơi đã kết thúc đối với thử nghiệm. Trong kính hiển vi xoắn lượng tử, vật liệu mỏng ở cấp độ nguyên tử trên đầu có độ bám dính mạnh dọc theo các cạnh của đầu cũng như phần cuối, do đó, các lực ròng dễ dàng vượt qua lực hút giữa hai lớp tinh thể van der Waal của đầu dò và mẫu, ngay cả đối với những góc xoắn hấp dẫn nhất. Chính những thách thức chế tạo như thế này mà ban đầu các nhà nghiên cứu của Weizmann đặt ra để giải quyết.

Việc khám phá ra 'graphene góc ma thuật' hoạt động giống như một chất siêu dẫn nhiệt độ cao là Thế giới vật lý Bước đột phá của năm 2018

Nhà tiên phong graphene xoắn Trưởng khoa Cory, người không tham gia vào nghiên cứu này, mô tả cách một số hiểu biết chi tiết nhất về các hệ thống lớp xoắn đến từ việc quét các đầu dò trên chúng. Bằng cách này, mỗi khu vực có độ xoắn độc đáo mặc dù không được kiểm soát có thể được xác định và coi là thiết bị của riêng nó. “Theo cách tiếp cận của Weizmann, họ đã thực hiện bước này theo một hướng mới thực sự sáng tạo, trong đó điều khiển góc xoắn và phân tích quang phổ được tích hợp vào cùng một nền tảng,” Dean, hiện đang làm việc tại Đại học Columbia, cho biết. “Ý tưởng này, rằng thiết bị cũng là công cụ, là một sự kết hợp hiếm có và thú vị trong các hệ thống vật chất ngưng tụ.” Ông cũng nhấn mạnh rằng thiết bị không giới hạn ở các hệ thống lớp xoắn.

Ilani nói về phát minh của nhóm mình, “Thành thật mà nói, mỗi tuần chúng tôi khám phá ra một loại phép đo mới mà bạn có thể thực hiện với kính hiển vi xoắn lượng tử – đó là một công cụ rất linh hoạt”. Ví dụ, các nhà nghiên cứu cũng có thể ấn đầu nhọn xuống để khám phá tác động của áp suất làm giảm khoảng cách giữa các lớp van der Waals. “Có những thí nghiệm trên vật liệu 2D được thực hiện với áp suất, cũng như trong bối cảnh của graphene góc ma thuật,” Birkbeck nói, khi ông đề cập đến các thí nghiệm với các pít-tông trong buồng dầu giảm xuống nhiệt độ thấp cần được thiết lập lại từ đầu cho từng giá trị áp suất. “Chúng tôi đã đạt được áp suất tương đương với kính hiển vi xoắn lượng tử nhưng giờ đây với khả năng điều chỉnh nó một cách nhanh chóng và liên tục trên trang web".

Kết quả được báo cáo trong Thiên nhiên.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/scanning-probe-with-a-twist-observes-electrons-wavelike-behaviour/