Foto Weizmann Institute
Een van de opvallende aspecten van de kwantumwereld is dat een deeltje, bijvoorbeeld een elektron, ook een golf is, wat betekent dat het op veel plaatsen tegelijk bestaat. In een nieuwe studie, die vandaag in Nature is gepubliceerd, maken onderzoekers van het Weizmann Institute of Science gebruik van deze eigenschap om een nieuw type gereedschap te ontwikkelen – de kwantumdraaimicroscoop (QTM) – dat nieuwe kwantummaterialen kan creëren en tegelijkertijd in de meest fundamentele kwantumaard van hun elektronen.
De bevindingen van de studie kunnen worden gebruikt om elektronische materialen te creëren met ongekende functionaliteiten.
De QTM omvat het "draaien" of roteren van twee atomair dunne materiaallagen ten opzichte van elkaar. Dergelijke verdraaiingen zijn de laatste jaren een belangrijke bron van ontdekkingen geworden. Het begon met de ontdekking dat het plaatsen van twee lagen grafeen, kristallijne lagen koolstof van één atoom dik, op elkaar met een lichte relatieve draaihoek, leidt tot een "sandwich" met onverwachte nieuwe eigenschappen. De draaihoek bleek de meest kritische parameter te zijn voor het beheersen van het gedrag van elektronen: een verandering van slechts een tiende van een graad zou het materiaal kunnen transformeren van een exotische supergeleider in een onconventionele isolator. Maar hoe kritisch deze ook is, deze parameter is ook het moeilijkst te controleren in experimenten. Over het algemeen vereist het draaien van twee lagen naar een nieuwe hoek het bouwen van een nieuwe "sandwich" vanaf het begin,
"Onze oorspronkelijke motivatie was om dit probleem op te lossen door een machine te bouwen die continu twee willekeurige materialen ten opzichte van elkaar kon verdraaien, waardoor gemakkelijk een oneindige reeks nieuwe materialen kon worden geproduceerd", zegt teamleider prof. Shahal Ilani van de afdeling Fysica van de gecondenseerde materie van Weizmann. "Tijdens het bouwen van deze machine ontdekten we echter dat het ook kan worden veranderd in een zeer krachtige microscoop, die kwantumelektronische golven kan zien op manieren die voorheen ondenkbaar waren."
Een kwantumbeeld maken
Foto's spelen al lang een centrale rol in wetenschappelijke ontdekkingen. Lichtmicroscopen en telescopen leveren routinematig beelden waarmee wetenschappers een beter begrip kunnen krijgen van biologische en astrofysische systemen. Het maken van foto's van elektronen in materialen is daarentegen jarenlang notoir moeilijk geweest vanwege de kleine afmetingen. Dit werd zo'n 40 jaar geleden getransformeerd met de uitvinding van de scanning tunneling microscoop, die de ontwikkelaars in 1986 de Nobelprijs voor natuurkunde opleverde. Deze microscoop gebruikt een atomair scherpe naald om het oppervlak van een materiaal te scannen, de elektrische stroom te meten en geleidelijk een beeld op te bouwen van de verdeling van elektronen in het monster.
“Sinds deze uitvinding zijn er veel verschillende scansondes ontwikkeld, die elk een andere elektronische eigenschap meten, maar ze meten deze eigenschappen allemaal op één locatie tegelijk. Ze zien elektronen dus meestal als deeltjes en kunnen alleen indirect leren over hun golfkarakter”, legt prof. Ady Stern van het Weizmann Institute uit, die samen met drie andere theoretisch natuurkundigen van dezelfde afdeling aan het onderzoek deelnam: profs. Binghai Yan, Yuval Oreg en Erez Berg. "Het bleek dat de tool die we hebben gebouwd de kwantumelektronische golven direct kan visualiseren, waardoor we de kwantumdansen die ze in het materiaal uitvoeren, kunnen ontrafelen", zegt Stern.
Een elektron op meerdere plaatsen tegelijk spotten
"De truc om kwantumgolven te zien, is om hetzelfde elektron tegelijkertijd op verschillende locaties te zien", zegt Alon Inbar, een hoofdauteur van het artikel. "De meting is conceptueel vergelijkbaar met het beroemde experiment met twee spleten, dat een eeuw geleden werd gebruikt om voor het eerst te bewijzen dat elektronen in de kwantummechanica een golfkarakter hebben", voegt Dr. John Birkbeck, een andere hoofdauteur, toe. “Het enige verschil is dat we zo’n experiment uitvoeren op het puntje van onze scanmicroscoop.”
De onderzoekers, van links naar rechts : Jiewen Xiao, prof. Ady Stern, prof. Shahal Ilani, prof. Erez Berg, prof. Binghai Yan, dr. John Birkbeck en Alon Inbar. Aan de muur: de vergelijking van Schroedinger voor de golffunctie van het elektron. Foto Weizmann Institute
Om dit te bereiken, vervingen de onderzoekers de atomair scherpe punt van de scanning tunneling microscoop door een punt die een platte laag van een kwantummateriaal bevat, zoals een enkele laag grafeen. Wanneer deze laag in contact wordt gebracht met het oppervlak van het betreffende monster, vormt het een tweedimensionale interface waarlangs elektronen op veel verschillende locaties kunnen tunnelen. Kwantummechanisch tunnelen ze op alle locaties tegelijk, en de tunnelgebeurtenissen op verschillende locaties interfereren met elkaar. Door deze interferentie kan een elektron alleen tunnelen als de golffuncties aan beide zijden van de interface exact overeenkomen. "Om een kwantumelektron te zien, moeten we voorzichtig zijn", zegt Ilani. “Als we hem niet de grove vraag stellen 'Waar ben je?' maar in plaats daarvan bieden we het meerdere routes om onze detector binnen te komen zonder dat we weten waar het daadwerkelijk is gekruist, we laten het zijn fragiele golfachtige aard behouden.
Draai en tunnel
Over het algemeen planten de elektronische golven in de punt en het monster zich in verschillende richtingen voort en komen daarom niet overeen. De QTM gebruikt zijn draaiende vermogen om de hoek te vinden waaronder afstemming plaatsvindt: door de punt continu te draaien ten opzichte van het monster, zorgt het gereedschap ervoor dat hun corresponderende golffuncties ook draaien ten opzichte van elkaar. Zodra deze golffuncties aan beide zijden van de interface overeenkomen, kan tunneling optreden. Door het draaien kan de QTM dus in kaart brengen hoe de elektronische golffunctie afhangt van momentum, vergelijkbaar met de manier waarop laterale translaties van de punt het in kaart brengen van zijn afhankelijkheid van positie mogelijk maken. Alleen al het weten onder welke hoeken elektronen de interface kruisen, levert de onderzoekers veel informatie op over het onderzochte materiaal.
Een nieuwe draai aan kwantummaterialen
"Onze microscoop zal wetenschappers een nieuw soort 'lens' geven voor het observeren en meten van de eigenschappen van kwantummaterialen", zegt Jiewen Xiao, een andere hoofdauteur.
Het Weizmann-team heeft hun microscoop al toegepast om de eigenschappen van verschillende belangrijke kwantummaterialen bij kamertemperatuur te bestuderen en bereidt zich nu voor op nieuwe experimenten bij temperaturen van enkele Kelvin, waar enkele van de meest opwindende kwantummechanische effecten bekend zijn. .
Zo diep in de kwantumwereld kijken kan helpen om fundamentele waarheden over de natuur te onthullen. In de toekomst kan het ook een enorm effect hebben op opkomende technologieën. De QTM zal onderzoekers toegang geven tot een ongekend spectrum van nieuwe kwantuminterfaces, evenals nieuwe "ogen" voor het ontdekken van kwantumfenomenen daarbinnen.
Voor meer informatie, zie "The Quantum Twisting Microscope," door Alon Inbar, John Birkbeck, Jiewen Xiao, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Binghai Yan, Yuval Oreg, Ady Stern, Erez Berg en Shahal Ilani, Nature (2023) . //www.nature.com/articles/s41586-022-05685-y _ _.
