Квантовый твистирующий микроскоп: новый взгляд на квантовые материалы
Научный институт Вейцмана в Израиле разработал новый инструмент, использующий квантовую природу электронов для создания квантовых материалов с беспрецедентными функциональными возможностями. Квантовый крутящий микроскоп (ККТМ) вращает два атомарно тонких слоя материала относительно друг друга, обеспечивая новый взгляд на самую фундаментальную квантовую природу электронов. Команда смогла непосредственно наблюдать квантовые электронные волны, что ранее было затруднительно из-за малых размеров. QTM содержит плоский слой квантового материала, который заменяет атомарно острый наконечник сканирующего туннельного микроскопа. При контакте этого слоя с поверхностью интересующего образца образуется двумерный интерфейс, через который электроны могут туннелировать во многих различных местах. Интерференция позволяет электрону туннелировать только в том случае, если его волновые функции по обе стороны интерфейса точно совпадают. QTM позволяет непрерывно скручивать любые два материала относительно друг друга, создавая бесконечный ряд новых материалов, и одновременно превращается в очень мощный микроскоп.
Квантовый мир поражает тем, что частица, такая как электрон, также является волной, то есть она может существовать во многих местах одновременно. QTM предполагает «скручивание» или вращение двух атомарно тонких слоев материала относительно друг друга, создавая новые квантовые материалы и одновременно наблюдая за самой фундаментальной квантовой природой их электронов. Помещение двух слоев графена, кристаллических листов углерода толщиной в один атом, один на другой с небольшим углом относительного скручивания приводит к созданию «сэндвича» с неожиданными новыми свойствами. Угол закручивания имеет решающее значение для управления поведением электронов, и его изменение на одну десятую градуса может превратить материал из экзотического сверхпроводника в нетрадиционный изолятор.
Первоначальной мотивацией Института Вейцмана для создания QTM было решение проблемы закручивания двух слоев на новый угол, что является долгим и утомительным процессом. Команда обнаружила, что машину можно превратить в мощный микроскоп, способный видеть квантовые электронные волны в невообразимых ранее формах. Это возможно путем одновременного обнаружения одного и того же электрона в разных местах, подобно знаменитому эксперименту с двумя щелями, который был использован сто лет назад для доказательства того, что электроны в квантовой механике имеют волновую природу.
QTM заменяет атомарно острый наконечник сканирующего туннельного микроскопа на наконечник, содержащий плоский слой квантового материала, например, один слой графена. Когда этот слой вводится в контакт с поверхностью интересующего образца, он образует двумерный интерфейс, через который электроны могут туннелировать во многих различных местах. Квантово-механически они туннелируют во всех местах одновременно, и события туннелирования в разных местах интерферируют друг с другом. Эта интерференция позволяет электрону туннелировать только в том случае, если его волновые функции по обе стороны интерфейса точно совпадают.
В заключение следует отметить, что квантовый микроскоп – это новый инструмент, разработанный в Институте науки Вейцмана, который использует квантовую природу электронов для создания квантовых материалов с беспрецедентными функциональными возможностями. QTM вращает два атомарно тонких слоя материала относительно друг друга, создавая новые квантовые материалы и одновременно наблюдая за самой фундаментальной квантовой природой их электронов. Машина также может быть превращена в мощный микроскоп, способный непосредственно наблюдать квантовые электронные волны, обеспечивая новый взгляд на квантовый мир.
