L’approccio intelligente di Twistronics offre nuove strade per esplorare i fenomeni quantistici

QTM comporta la “torsione”, o rotazione, di due strati di materiale atomicamente sottili l’uno rispetto all’altro. Negli ultimi anni, questo sviluppo è diventato una delle principali fonti di scoperta. Tutto è iniziato con la scoperta che la posa di due strati di grafene, fogli di carbonio cristallino spessi un atomo, uno sopra l’altro con un angolo di avvolgimento relativamente leggero, si traduce in un “sandwich” con nuove proprietà inaspettate. L’angolo di torsione risulta essere il fattore più importante che controlla il comportamento degli elettroni: modificandolo anche solo di un decimo di grado si può trasformare un materiale da un esotico superconduttore a un eccentrico isolante. Ma nonostante la sua importanza, questo parametro è anche il più difficile da controllare sperimentalmente. Complessivamente, avvolgere due strati con una nuova angolazione richiede la creazione di un nuovo “sandwich” da zero, che è un processo noioso e che richiede molto tempo.

“Il nostro impulso iniziale è stato quello di risolvere questo problema costruendo una macchina in grado di deviare continuamente due materiali l’uno rispetto all’altro, producendo facilmente un’infinita varietà di nuovi materiali”, afferma il leader del team, il professor Shahal-Ilany del Dipartimento di fisica della materia condensata di Weizmann. “Tuttavia, durante la costruzione di questa macchina, abbiamo scoperto che può anche essere trasformata in un microscopio estremamente potente, in grado di vedere le onde elettroniche quantistiche in modi prima inimmaginabili”.

Creare un’immagine quantitativa

Le immagini hanno svolto a lungo un ruolo importante nella scoperta scientifica. Microscopi e telescopi ottici forniscono abitualmente immagini che aiutano gli scienziati a comprendere meglio i sistemi biologici e l’astrofisica. D’altra parte, fotografare gli elettroni all’interno dei materiali è stato impegnativo per molti anni, a causa delle loro piccole dimensioni. La situazione è cambiata circa 40 anni fa con l’invenzione del microscopio a effetto tunnel, i cui sviluppatori hanno vinto il premio Nobel per la fisica nel 1986. Questo microscopio utilizza un ago atomicamente affilato per scansionare la superficie di un materiale, misurando gradualmente la corrente elettrica e l’accumulo. Immagine della distribuzione degli elettroni nel campione.

Da questa invenzione sono state sviluppate molte diverse sonde di scansione, ognuna delle quali misura una proprietà elettronica diversa, ma tutte misurano queste proprietà in un punto alla volta.Pertanto, vedono gli elettroni principalmente come particelle e possono riconoscere la loro onda solo indirettamente.Spiega il professor Adi Stern del Weizmann Institute, che è coautore dello studio con altri tre fisici teorici dello stesso dipartimento: il Prof. Pengai Yan, Yuval Orig e Erez Berg. “Si scopre che lo strumento che abbiamo creato può visualizzare direttamente le onde elettroniche quantistiche, permettendoci di per rivelare le danze quantistiche che si svolgono all’interno della materia.”

Individua l’elettrone in più punti contemporaneamente

“Il trucco per vedere le onde quantistiche è individuare lo stesso elettrone in luoghi diversi nello stesso momento”, afferma Alun Inbar, uno degli autori principali dell’articolo. “La misura è concettualmente simile alla célèbre expérience à deux ventes, qui a été utilisée il ya un siècle pour prouver pour la première fois que les électrons en mécanique quantique ont une nature ondulatoire”, ajoute le Dr John Birkbeck, un primario autre. “L’unica differenza è che eseguiamo un simile esperimento sopra il nostro microscopio a scansione”.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno sostituito la punta atomicamente affilata di un microscopio a scansione tunnel con una che conteneva uno strato piatto di materiale quantistico, come un singolo strato di grafene. Quando questo strato entra in contatto con la superficie del campione di interesse, forma un’interfaccia bidimensionale attraverso la quale gli elettroni possono entrare in molti punti diversi. Dal punto di vista della meccanica quantistica, scavalcano simultaneamente in tutti i luoghi e gli eventi di tunneling in luoghi diversi si sovrappongono l’un l’altro. Questa interferenza consente a un elettrone di entrare in tunnel solo se le sue funzioni d’onda su entrambi i lati dell’interfaccia sono esattamente le stesse. “Per vedere un elettrone quantistico, dobbiamo essere morbidi”, dice Ilani. “Se non facciamo la domanda scortese, ‘Dove sei?’, ma invece gli forniamo diversi modi per passare attraverso il nostro rilevatore senza che noi sappiamo dove sia effettivamente passato, allora gli permettiamo di preservare la sua fragile natura ondulatoria”.

torsione e tunnel

In generale, le onde degli elettroni si propagano nella punta e nel campione in direzioni diverse e quindi non coincidono. QTM utilizza la sua capacità di curvatura per trovare l’angolo in cui si verifica la corrispondenza: ruotando costantemente la punta rispetto al campione, lo strumento fa ruotare anche le corrispondenti funzioni d’onda l’una rispetto all’altra. Una volta che queste funzioni d’onda corrispondono su entrambi i lati dell’interfaccia, può verificarsi il tunneling. Pertanto, la torsione consente al QTM di determinare in che modo la funzione d’onda dell’elettrone dipende dalla quantità di moto, nello stesso modo in cui le traslazioni laterali consentono alla punta di mappare la sua dipendenza dalla posizione. La semplice conoscenza degli angoli con cui gli elettroni attraversano l’interfaccia fornisce ai ricercatori molte informazioni sul materiale oggetto di indagine. In questo modo, possono conoscere l’organizzazione collettiva degli elettroni in un campione, la loro velocità, la distribuzione dell’energia, i modelli di interferenza e persino le interazioni di diverse onde tra loro.

Un nuovo sviluppo nei materiali quantistici

“Il nostro microscopio fornirà agli scienziati un nuovo tipo di ‘lente’ per osservare e misurare le proprietà dei materiali quantistici”, afferma Jiewen Xiao, un altro autore principale.

Il team di Weizmann ha già applicato il proprio microscopio per studiare le proprietà di diversi materiali quantistici chiave a temperatura ambiente e ora si sta preparando a condurre nuovi esperimenti a temperature di pochi Kelvin, dove è noto che si verificano alcuni degli effetti quantomeccanici più eccitanti. . .

Guardare in profondità nel mondo dei quanti può aiutare a rivelare verità fondamentali sulla natura. In futuro, ciò può avere anche un impatto significativo sulle tecnologie emergenti. QTM darà ai ricercatori l’accesso a una serie senza precedenti di nuove interfacce quantistiche, oltre a nuovi “occhi” per rilevare i fenomeni quantistici al loro interno.