Nowe spojrzenie na materiały kwantowe

Jednym z niesamowitych aspektów świata kwantowego jest to, że cząstka, na przykład elektron, jest jednocześnie falą, co oznacza, że ​​znajduje się w wielu miejscach jednocześnie. W nowym badaniu, opublikowanym dzisiaj w Naturanaukowcy z Weizmanna Institute of Science wykorzystują tę właściwość do opracowania nowego typu instrumentu — kwantowego mikroskopu torsyjnego (QTM) — który może tworzyć nowe materiały kwantowe, jednocześnie badając fundamentalną kwantową naturę ich elektronów.

Wyniki badań mogą posłużyć do stworzenia materiałów elektronicznych o niespotykanej dotychczas funkcjonalności.

QTM polega na „skręcaniu” lub obracaniu dwóch warstw atomowo cienkiego materiału względem siebie. W ostatnich latach to skręcenie stało się głównym źródłem odkryć. Zaczęło się od odkrycia, że ​​ułożenie dwóch warstw grafenu, krystalicznych arkuszy węgla o grubości jednego atomu, jedna na drugiej pod stosunkowo niewielkim kątem skrętu, daje w efekcie „kanapkę” o nieoczekiwanych nowych właściwościach.

Kąt torsyjny okazuje się najważniejszym czynnikiem kontrolującym zachowanie elektronów: zmiana go o zaledwie jedną dziesiątą stopnia może zmienić materiał z egzotycznego nadprzewodnika w funkowy izolator. Ale pomimo swojego znaczenia, parametr ten jest również najtrudniejszy do kontrolowania w eksperymentach. Ogólnie rzecz biorąc, owinięcie dwóch warstw pod nowym kątem wymaga zbudowania od podstaw nowej „kanapki”, co jest procesem bardzo długim i żmudnym.

„Naszą pierwotną motywacją było rozwiązanie tego problemu poprzez zbudowanie maszyny, która może w sposób ciągły wypaczać dowolne dwa materiały względem siebie, wytwarzając nieskończoną różnorodność nowych materiałów” – mówi kierownik zespołu, profesor Chahal Ilani z Wydziału Fizyki Materii Skondensowanej Weizmanna. „Jednak podczas budowy tej maszyny odkryliśmy, że można ją również przekształcić w niezwykle potężny mikroskop, zdolny do oglądania kwantowych fal elektronicznych w sposób wcześniej niewyobrażalny”.

Stwórz obraz ilościowy

Obrazy od dawna odgrywają główną rolę w odkryciach naukowych. Mikroskopy i teleskopy optyczne rutynowo dostarczają obrazów, które pozwalają naukowcom uzyskać głębsze zrozumienie systemów biologicznych i astrofizyki. Z drugiej strony fotografowanie elektronów wewnątrz materiałów było przez wiele lat trudne ze względu na małe rozmiary.

Zmieniło się to około 40 lat temu wraz z wynalezieniem skaningowego mikroskopu tunelowego, którego twórcy otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1986 r. Mikroskop ten wykorzystuje atomowo ostrą igłę do skanowania powierzchni materiału, pomiaru prądu elektrycznego i gromadzenia się stopniowy obraz rozkładu elektronów w próbce.

„Od czasu tego wynalazku opracowano wiele różnych sond skanujących, z których każda mierzy inną właściwość elektroniczną, ale wszystkie mierzą te właściwości w jednym miejscu na raz. Dlatego też postrzegają one elektrony głównie jako cząstki i mogą pośrednio identyfikować ich długość fali” – wyjaśnia profesor Adi Stern z Instytutu Weizmanna, który jest współautorem badania wraz z trzema innymi fizykami teoretycznymi z tego samego wydziału: prof. Pengai Yanem, Yuvalem Origiem i Erezem Bergiem.

„Jak się okazało, stworzony przez nas instrument może bezpośrednio wizualizować kwantowe fale elektroniczne, dając nam sposób na ujawnienie kwantowych tańców, które wykonują w materii” – mówi Stern.

Wykrywanie elektronów w kilku miejscach jednocześnie

„Sztuczką do zobaczenia fal kwantowych jest dostrzeżenie tego samego elektronu w różnych miejscach w tym samym czasie” – mówi Alon Inbar, główny autor artykułu. Dr John Birkbeck, inny główny autor, dodaje: „Pomiar jest koncepcyjnie podobny do słynnego eksperymentu z dwiema szczelinami, który został użyty sto lat temu, aby po raz pierwszy udowodnić, że elektrony w mechanice kwantowej mają naturę falową”. „Jedyna różnica polega na tym, że przeprowadzamy taki eksperyment na szczycie naszego mikroskopu skaningowego”.

Aby to osiągnąć, naukowcy zastąpili atomowo ostrą końcówkę skanującego mikroskopu tunelowego końcówką zawierającą płaską warstwę materiału kwantowego, takiego jak pojedyncza warstwa grafenu. Kiedy ta warstwa styka się z powierzchnią badanej próbki, tworzy dwuwymiarową granicę międzyfazową, przez którą elektrony mogą tunelować w wielu różnych miejscach.

Kwantowo mechanicznie tunelują we wszystkich lokalizacjach jednocześnie, a zdarzenia tunelowania w różnych lokalizacjach nakładają się na siebie. Ta interferencja pozwala elektronowi tunelować tylko wtedy, gdy jego funkcje falowe po obu stronach interfejsu są dokładnie takie same. „Aby zobaczyć elektron kwantowy, musimy być delikatni” – mówi Ilani. „Jeśli nie zadamy mu niegrzecznego pytania: Gdzie jesteś?

skręcać i tunelować

Ogólnie rzecz biorąc, fale elektronowe w końcówce i próbce rozchodzą się w różnych kierunkach, a zatem nie pokrywają się. QTM wykorzystuje swoją zdolność wypaczania, aby znaleźć kąt, pod którym zachodzi dopasowanie: poprzez ciągłe obracanie końcówki względem próbki, instrument powoduje, że odpowiednie funkcje falowe również skręcają się względem siebie. Gdy te funkcje falowe dopasują się po obu stronach interfejsu, może wystąpić tunelowanie.

W ten sposób skręcanie pozwala QTM określić, w jaki sposób funkcja fali elektronicznej zależy od pędu, podobnie jak translacje poprzeczne pozwalają końcówce mapować jej zależność od położenia.

Znajomość kątów, pod którymi elektrony przecinają interfejs, dostarcza naukowcom wielu informacji na temat badanego materiału. W ten sposób mogą dowiedzieć się o zbiorowej organizacji elektronów w próbce, ich prędkości, rozkładzie energii, wzorcach interferencji, a nawet wzajemnych oddziaływaniach różnych fal.

Nowe osiągnięcie w materiałach kwantowych

„Nasz mikroskop zapewni naukowcom nowy rodzaj„ soczewek ”do obserwacji i pomiaru właściwości materiałów kwantowych” – mówi Jiewen Xiao, inny główny autor.

Zespół Weizmanna zastosował już swój mikroskop do badania właściwości kilku kluczowych materiałów kwantowych w temperaturze pokojowej, a teraz przygotowuje się do przeprowadzenia nowych eksperymentów w temperaturach kilku kelwinów, gdzie występują jedne z najbardziej ekscytujących efektów mechaniki kwantowej.

Głębokie spojrzenie w świat kwantowy może pomóc w odkryciu fundamentalnych prawd o przyrodzie. W przyszłości może mieć również ogromny wpływ na powstające technologie. QTM zapewni naukowcom dostęp do bezprecedensowego spektrum nowych interfejsów kwantowych, a także nowych „oczu” do wykrywania zachodzących w nich zjawisk kwantowych.