Одним из поразительных аспектов квантового мира является то, что частица также является волной. Квантовые частицы существуют во многих местах и формах одновременно.
В исследовании под названием «Квантовый вращающийся микроскоп», только что опубликованном в журнале Nature, исследователи из Научного института Вейцмана в Реховоте использовали это свойство для разработки нового типа инструмента — квантового вращающегося микроскопа (QTM), который может создавать новые квантовые материалы, одновременно изучая самую фундаментальную природу их электронов. Результаты исследования могут быть использованы для создания электронных материалов с беспрецедентными функциональными возможностями.
Квантовый твистирующий микроскоп
QTM включает «скручивание» или вращение двух одноатомных слоев материала по отношению друг к другу. В последние годы такое скручивание стало основным источником открытий. Все началось с открытия, что размещение двух слоев графена — кристаллических листов углерода толщиной в один атом — поверх другого с небольшим относительным углом закручивания приводит к «атомному сэндвичу» с неожиданными новыми свойствами.
Угол закручивания оказался наиболее важным параметром для управления поведением электронов. Изменение его всего на одну десятую градуса может превратить материал из экзотического сверхпроводника в нетрадиционный изолятор. Но как бы ни был важен этот параметр, его труднее всего контролировать. По большому счету, скручивание двух слоев под новым углом требует создания нового «бутерброда» с нуля, а это очень долгий и утомительный процесс.
«Наша первоначальная цель состояла в том, чтобы решить эту проблему путем создания машины, которая могла бы непрерывно скручивать любые два материала относительно друг друга, легко производя бесконечное количество новых материалов», — сказал профессор Шахал Илани из отдела физики конденсированных сред Вейцмана. «Однако при создании этой машины мы обнаружили, что ее также можно превратить в очень мощный микроскоп, способный видеть квантовые электронные волны способами, которые раньше были невообразимы».
Исследователи Вейцмана уже применили свой микроскоп для изучения свойств нескольких ключевых квантовых материалов при комнатной температуре и теперь готовятся к проведению новых экспериментов при температурах в несколько кельвинов, стандартной единице термодинамической температуры. Известно, что при этих температурах происходят некоторые из наиболее захватывающих квантово-механических эффектов.
Изображения уже давно играют центральную роль в научных открытиях. Световые микроскопы и телескопы регулярно предоставляют изображения, которые позволяют ученым глубже понять биологические и астрофизические системы. С другой стороны, фотографировать электроны внутри материалов в течение многих лет было чрезвычайно сложно из-за бесконечно малых размеров.
ЧТО ИЗМЕНИЛОСЬ: около 40 лет назад с изобретением сканирующего туннельного микроскопа , который принес его разработчикам Нобелевскую премию по физике 1986 года. Этот микроскоп использует атомарно острую иглу для сканирования поверхности материала, измерения электрического тока и постепенного построения изображения распределения электронов в образце.
«С момента изобретения было разработано множество различных сканирующих зондов, каждый из которых измеряет разные электронные свойства, но все они измеряют эти свойства в одном месте в определенный момент времени. Таким образом, они в основном видят электроны как частицы и могут лишь косвенно узнать об их волновой природе», — добавил профессор Эди Стерн из Института Вейцмана, принимавший участие в исследовании вместе с тремя другими физиками-теоретиками из того же отдела.
«Как оказалось, инструмент, который мы создали, может напрямую визуализировать квантовые электронные волны, что дает нам возможность разгадать квантовые танцы, которые они исполняют внутри материала», — сказал Стерн. Алон Инбар, ведущий автор статьи, сказал , «Хитрость наблюдения квантовых волн заключается в том, чтобы обнаружить один и тот же электрон в разных местах в одно и то же время. Измерение концептуально похоже на знаменитый эксперимент с двумя щелями, который был использован столетие назад, чтобы впервые доказать, что электроны в квантовой механике имеют волновую природу».
Доктор Джон Биркбек, другой ведущий автор, сказал: «Единственная разница в том, что мы проводим такой эксперимент на кончике нашего сканирующего микроскопа».
Для этого исследователи заменили атомарно-острый наконечник сканирующего туннельного микроскопа наконечником, который содержит плоский слой квантового материала, такого как один слой графена. Когда этот слой контактирует с поверхностью интересующего образца, он образует двумерную границу раздела, через которую электроны могут туннелировать в самых разных местах. С точки зрения квантовой механики они туннелируют во всех местах одновременно, и события туннелирования в разных местах мешают друг другу. Эта интерференция позволяет электрону туннелировать только в том случае, если его волновые функции по обеим сторонам интерфейса точно совпадают.
«Чтобы увидеть квантовый электрон, мы должны быть осторожны», — сказал Илани. «Если мы его не зададим, грубый вопрос «Где ты?» но вместо этого обеспечив его несколькими путями для пересечения с нашим детектором, чтобы мы не знали, где он на самом деле пересекся, мы позволяем ему сохранять свою хрупкую волнообразную природу».
«Наш микроскоп даст ученым новый тип «линзы» для наблюдения и измерения свойств квантовых материалов», — сказал Дживен Сяо, другой ведущий автор.
Материал взят с сайта www.jpost.com
