양자 비틀림 현미경: 양자 재료에 대한 새로운 렌즈

[아름이]

양자 비틀림 현미경: 양자 재료에 대한 새로운 렌즈
트위스트로닉스 과학에 대한 영리한 해석은 양자 현상을 탐구하는 새로운 방법을 제공합니다.
날짜:
2023년 2월 23일
원천:
바이츠만 과학 연구소
요약:
양자 세계의 놀라운 측면 중 하나는 입자, 말하자면 전자도 동시에 여러 곳에 존재하는 파동이라는 것입니다. 연구자들은 이 특성을 이용하여 전자의 가장 기본적인 양자 특성을 관찰하면서 동시에 새로운 양자 물질을 생성할 수 있는 새로운 유형의 도구인 양자 비틀림 현미경(Quantum Twisting Microscope, QTM)을 개발했습니다.

전체 이야기
양자 세계의 놀라운 측면 중 하나는 입자, 말하자면 전자도 동시에 여러 곳에 존재하는 파동이라는 것입니다. 네이처(Nature) 에 오늘 보고된 새로운 연구에서 와이즈만 과학 연구소(Weizmann Institute of Science)의 연구원들은 이 특성을 이용하여 새로운 유형의 도구인 양자 비틀림 현미경(QTM)을 개발했습니다. 전자의 가장 근본적인 양자 특성. 연구 결과는 전례 없는 기능을 가진 전자 재료를 만드는 데 사용될 수 있습니다.

QTM은 서로에 대해 두 개의 원자적으로 얇은 재료 층의 "비틀림" 또는 회전을 포함합니다. 최근 몇 년 동안 이러한 비틀림은 발견의 주요 원천이 되었습니다. 그것은 두 개의 그래핀 층, 즉 원자 1개 두께의 결정질 탄소 시트를 약간의 상대적 비틀림 각도로 다른 층 위에 배치하면 예상치 못한 새로운 특성을 가진 "샌드위치"가 생성된다는 발견으로 시작되었습니다. 비틀림 각도는 전자의 거동을 제어하는 ​​데 가장 중요한 매개변수임이 밝혀졌습니다. 비틀림 각도를 10분의 1도만 변경하면 재료가 이국적인 초전도체에서 비전통적인 절연체로 변환될 수 있습니다. 그러나 중요한 만큼 이 매개변수는 실험에서 제어하기 가장 어렵습니다. 대체로 두 개의 레이어를 새로운 각도로 비틀려면 새로운 "샌드위치"를 만들어야 합니다.

Weizmann의 응집 물질 물리학과 팀장인 Shahal Ilani 교수는 "우리의 원래 동기는 두 물질을 서로에 대해 지속적으로 뒤틀 수 있는 기계를 만들어 이 문제를 해결하는 것이었습니다."라고 말합니다. "그러나 이 기계를 만드는 동안 우리는 이전에는 상상할 수 없었던 방식으로 양자 전자파를 볼 수 있는 매우 강력한 현미경으로 바뀔 수도 있다는 것을 발견했습니다."

양자 사진 만들기

사진은 오랫동안 과학적 발견에서 중심적인 역할을 해왔습니다. 광학 현미경과 망원경은 과학자들이 생물학적 시스템과 천체 물리학적 시스템을 더 깊이 이해할 수 있도록 이미지를 정기적으로 제공합니다. 반면에 재료 내부의 전자 사진을 찍는 것은 관련된 작은 크기 때문에 수년 동안 매우 어려웠습니다. 이것은 약 40년 전 스캐닝 터널링 현미경의 발명과 함께 변형되었으며, 이 현미경의 개발자는 1986년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 이 현미경은 원자적으로 날카로운 바늘을 사용하여 재료의 표면을 스캔하고 전류를 측정하며 샘플의 전자 분포 이미지를 점진적으로 구축합니다.

"본 발명 이후로 각각 다른 전자 특성을 측정하는 다양한 스캐닝 프로브가 개발되었지만 모두 한 번에 한 위치에서 이러한 특성을 측정합니다. 따라서 그들은 대부분 전자를 입자로 보고 전자의 파동에 대해 간접적으로만 알 수 있습니다. 같은 부서의 이론 물리학자 3명과 함께 연구에 참여한 Weizmann Institute의 Ady Stern 교수는 다음과 같이 설명합니다. Binghai Yan, Yuval Oreg 및 Erez Berg. "결과적으로 우리가 구축한 도구는 양자 전자파를 직접 시각화할 수 있으므로 물질 내부에서 수행하는 양자 춤을 풀 수 있는 방법을 제공합니다."라고 Stern은 말합니다.

한 번에 여러 위치에서 전자 발견

"양자 파동을 보는 비결은 동시에 다른 위치에서 동일한 전자를 발견하는 것입니다."라고 논문의 수석 저자인 Alon Inbar는 말합니다. "이 측정은 양자역학에서 전자가 파동성을 갖는다는 것을 처음으로 증명하기 위해 100년 전에 사용된 유명한 이중 슬릿 실험과 개념적으로 유사합니다."라고 또 다른 수석 저자인 John Birkbeck 박사는 덧붙였습니다. "유일한 차이점은 우리가 주사 현미경의 끝에서 그러한 실험을 수행한다는 것입니다."

이를 달성하기 위해 연구원들은 주사 터널링 현미경의 원자적으로 날카로운 팁을 단일 그래핀 층과 같은 양자 물질의 평평한 층을 포함하는 팁으로 교체했습니다. 이 층이 관심 샘플의 표면과 접촉하게 되면 전자가 여러 위치에서 터널링할 수 있는 2차원 인터페이스를 형성합니다. 양자는 기계적으로 모든 위치에서 동시에 터널링되며 서로 다른 위치에서 터널링 이벤트가 서로 간섭합니다. 이 간섭으로 인해 인터페이스 양쪽의 파동 함수가 정확히 일치하는 경우에만 전자가 터널링할 수 있습니다. "양자 전자를 보려면 온화해야 합니다."라고 Ilani는 말합니다. "우리가 무례한 질문 '당신은 어디에 있습니까?'

트위스트 앤 터널

일반적으로 팁과 샘플의 전자파는 서로 다른 방향으로 전파되므로 일치하지 않습니다. QTM은 비틀기 기능을 사용하여 일치가 발생하는 각도를 찾습니다. 샘플에 대해 팁을 계속 비틀면 도구는 해당 파동 함수가 서로에 대해 비틀리게 합니다. 이러한 파동 함수가 인터페이스의 양쪽에서 일치하면 터널링이 발생할 수 있습니다. 따라서 비틀림을 통해 QTM은 전자파 기능이 운동량에 의존하는 방식을 매핑할 수 있습니다. 팁의 측면 변환이 위치에 대한 의존성을 매핑하는 방식과 유사합니다. 전자가 인터페이스를 교차하는 각도를 아는 것만으로도 조사 대상 물질에 대한 많은 정보를 연구자에게 제공합니다.

양자 재료에 대한 새로운 트위스트

"우리의 현미경은 과학자들에게 양자 물질의 특성을 관찰하고 측정하기 위한 새로운 종류의 '렌즈'를 제공할 것입니다."라고 또 다른 주저자인 Jiewen Xiao는 말했습니다.

Weizmann 팀은 이미 상온에서 몇 가지 주요 양자 물질의 특성을 연구하는 데 현미경을 적용했으며 이제 가장 흥미로운 양자 역학 효과가 발생하는 것으로 알려진 몇 켈빈의 온도에서 새로운 실험을 수행할 준비를 하고 있습니다. .

양자 세계를 깊이 들여다보면 자연에 대한 근본적인 진실을 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다. 미래에는 신흥 기술에도 엄청난 영향을 미칠 수 있습니다. QTM은 연구원들에게 새로운 양자 인터페이스의 전례 없는 스펙트럼에 대한 액세스와 그 안에서 양자 현상을 발견하기 위한 새로운 "눈"을 제공할 것입니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/