Kuantum malzemeler üzerine yeni bir mercek

Kuantum dünyasının şaşırtıcı yönlerinden biri, bir parçacığın, örneğin bir elektronun da bir dalga olmasıdır, yani aynı anda birçok yerdedir. Bugün yayınlanan yeni bir çalışmada, doğaWeizmann Bilim Enstitüsü’nden araştırmacılar, aynı anda elektronlarının temel kuantum doğasını gözetlerken yeni kuantum malzemeleri yaratabilen yeni bir tür alet – bir kuantum burulma mikroskobu (QTM) – geliştirmek için bu özellikten yararlanıyorlar.

Çalışmanın sonuçları, benzeri görülmemiş işlevselliğe sahip elektronik materyaller oluşturmak için kullanılabilir.

QTM, birbirine göre atomik olarak ince iki malzeme tabakasının “bükülmesini” veya döndürülmesini içerir. Son yıllarda, bu bükülme önemli bir keşif kaynağı haline geldi. Her şey, iki grafen tabakasının, bir atom kalınlığında kristal karbon levhalarının nispeten hafif bir bükülme açısıyla diğerinin üzerine yerleştirilmesinin, beklenmedik yeni özelliklere sahip bir “sandviç” ile sonuçlandığının keşfedilmesiyle başladı.

Burulma açısının elektronların davranışını kontrol eden en önemli faktör olduğu ortaya çıktı: bunu bir derecenin onda biri kadar değiştirmek, bir malzemeyi egzotik bir süperiletkenden harika bir yalıtkan haline getirebilir. Ancak önemine rağmen, bu parametre aynı zamanda deneylerde kontrol edilmesi en zor olanıdır. Genel olarak, iki katmanı yeni bir açıyla sarmak, sıfırdan yeni bir “sandviç” yapmayı gerektirir ki bu çok uzun ve meşakkatli bir süreçtir.

Weizmann’ın Yoğun Madde Fiziği Bölümü’nden ekip lideri Profesör Chahal Ilani, “Asıl motivasyonumuz, herhangi iki malzemeyi birbirine göre sürekli olarak bükebilen ve sonsuz çeşitlilikte yeni malzemeler üretebilen bir makine yaparak bu sorunu çözmekti” diyor. “Ancak, bu makineyi inşa ederken, kuantum elektronik dalgalarını daha önce hayal bile edilemeyecek şekillerde görebilen son derece güçlü bir mikroskoba dönüştürülebileceğini keşfettik.”

Kantitatif bir görüntü oluşturun

Görüntüler uzun zamandır bilimsel keşiflerde önemli bir rol oynamıştır. Mikroskoplar ve optik teleskoplar rutin olarak bilim adamlarının biyolojik sistemler ve astrofizik hakkında daha derin bir anlayış kazanmalarına olanak tanıyan görüntüler sağlar. Öte yandan, malzemelerin içindeki elektronların fotoğrafını çekmek, söz konusu küçük boyutlar nedeniyle uzun yıllardır zor olmuştur.

Bu, yaklaşık 40 yıl önce, geliştiricileri 1986 Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülen taramalı tünelleme mikroskobunun icadıyla değişti.Bu mikroskop, bir malzemenin yüzeyini taramak, elektrik akımını ölçmek ve birikmek için atomik olarak keskin bir iğne kullanır. bir numunedeki elektron dağılımının adım adım bir resmi.

“Bu buluştan bu yana, her biri farklı bir elektronik özelliği ölçen, ancak tümü bu özellikleri aynı anda tek bir yerde ölçen birçok farklı tarama probu geliştirildi. Bu nedenle, elektronları çoğunlukla parçacık olarak görüyorlar ve dalga boylarını dolaylı olarak tanımlayabiliyorlar” diye açıklıyor. Weizmann Enstitüsü’nden Adi Stern, aynı bölümden diğer üç teorik fizikçiyle birlikte çalışmayı yazdı: Prof. Pengai Yan, Yuval Orig ve Erez Berg.

Stern, “Sonuç olarak, yarattığımız aletin kuantum elektronik dalgaları doğrudan görselleştirebildiği ve bize onların madde içinde gerçekleştirdikleri kuantum danslarını ortaya çıkarmanın bir yolunu verdiği ortaya çıktı” diyor.

Aynı anda birkaç yerde elektron tespiti

Makalenin baş yazarı Alon Inbar, “Kuantum dalgalarını görmenin püf noktası, aynı elektronu aynı anda farklı konumlarda tespit etmektir” diyor. Başka bir başyazar olan Dr. John Birkbeck şunları ekliyor: “Ölçüm, bir asır önce kuantum mekaniğindeki elektronların dalga doğasına sahip olduğunu ilk kez kanıtlamak için kullanılan ünlü iki yarık deneyine kavramsal olarak benziyor.” “Tek fark, tarama mikroskobumuzun üstünde böyle bir deney yapmamızdır.”

Bunu başarmak için araştırmacılar, bir taramalı tünelleme mikroskobunun atomik olarak keskin ucunu, tek bir grafen tabakası gibi düz bir kuantum malzemesi tabakası içeren bir uçla değiştirdiler. Bu katman, ilgilenilen numunenin yüzeyi ile temas ettiğinde, elektronların birçok farklı konumda tünelleyebileceği iki boyutlu bir arayüz oluşturur.

Kuantum mekanik olarak, tüm konumlarda aynı anda tünel açarlar ve farklı konumlardaki tünel açma olayları birbiriyle örtüşür. Bu girişim, bir elektronun yalnızca arayüzün her iki tarafındaki dalga fonksiyonları tam olarak aynıysa tünel yapmasına izin verir. Ilani, “Bir kuantum elektronu görmek için nazik olmalıyız” diyor. “Ona şu kaba soruyu sormazsak, Neredesin?

büküm ve tünel

Genel olarak, uçtaki ve numunedeki elektron dalgaları farklı yönlerde yayılır ve bu nedenle çakışmaz. QTM, eşleştirmenin meydana geldiği açıyı bulmak için çarpıtma yeteneğini kullanır: ucu örneğe göre sürekli olarak döndürerek, alet karşılık gelen dalga fonksiyonlarının da birbirine göre bükülmesine neden olur. Bu dalga fonksiyonları arayüzün her iki tarafında eşleştiğinde, tünelleme gerçekleşebilir.

Böylece burulma, QTM’nin elektronik dalga fonksiyonunun momentuma nasıl bağlı olduğunu belirlemesine izin verir, tıpkı yanal ötelemelerin ucun pozisyona bağımlılığını haritalandırmasına nasıl izin verdiğine benzer.

Elektronların arayüzü geçtiği açıları bilmek, araştırmacılara araştırılan malzeme hakkında büyük miktarda bilgi sağlar. Bu şekilde, bir numune içindeki elektronların kolektif organizasyonu, hızları, enerji dağılımları, girişim modelleri ve hatta farklı dalgaların birbirleriyle etkileşimleri hakkında bilgi edinebilirler.

Kuantum malzemelerde yeni bir gelişme

Başka bir baş yazar olan Jiewen Xiao, “Mikroskopumuz, bilim insanlarına kuantum malzemelerinin özelliklerini gözlemlemek ve ölçmek için yeni bir tür ‘mercek’ verecek” diyor.

Weizmann’ın ekibi, oda sıcaklığında birkaç önemli kuantum malzemesinin özelliklerini incelemek için mikroskoplarını çoktan uyguladı ve şimdi, en heyecan verici kuantum mekaniksel etkilerin bazılarının meydana geldiği bilinen birkaç Kelvin sıcaklıkta yeni deneyler yapmaya hazırlanıyor.

Kuantum dünyasına derinlemesine bakmak, doğa hakkındaki temel gerçekleri ortaya çıkarmaya yardımcı olabilir. Gelecekte, gelişmekte olan teknolojiler üzerinde de muazzam bir etkisi olabilir. QTM, araştırmacılara, içlerindeki kuantum fenomenini tespit etmek için yeni “gözlerin” yanı sıra, benzeri görülmemiş bir yeni kuantum arayüzleri yelpazesine erişim sağlayacaktır.