Forskere opfinder teknik til at kortlægge energi og momentum for elektroner under en materialoverflade

For første gang, fysikere har udviklet en teknik, der kan kigge dybt under overfladen af ​​et materiale for at identificere energier og momenta for elektroner der.

Energien og fremdriften i disse elektroner, kendt som et materiales "båndstruktur, "er nøgleegenskaber, der beskriver, hvordan elektroner bevæger sig gennem et materiale. I sidste ende, båndstrukturen bestemmer et materiales elektriske og optiske egenskaber.

Holdet, ved MIT og Princeton University, har brugt teknikken til at sonde et halvledende ark af galliumarsenid, og har kortlagt elektronernes energi og fremdrift i hele materialet. Resultaterne offentliggøres i dag i tidsskriftet Videnskab .

Ved at visualisere bandstrukturen, ikke bare på overfladen, men i hele et materiale, forskere kan muligvis identificere bedre, hurtigere halvledermaterialer. De kan også være i stand til at observere de mærkelige elektroninteraktioner, der kan give anledning til superledning i visse eksotiske materialer.

"Elektroner zipper konstant rundt i et materiale, og de har et bestemt momentum og energi, "siger Raymond Ashoori, professor i fysik ved MIT og en medforfatter på papiret. "Dette er grundlæggende egenskaber, der kan fortælle os, hvilken slags elektrisk udstyr vi kan lave. Mange af de vigtige elektronikker i verden findes under overfladen, i disse systemer, som vi ikke har været i stand til at undersøge dybt indtil nu. Så vi er meget spændte - mulighederne her er ret store. "

Ashooris medforfattere er postdoc Joonho Jang og kandidatstuderende Heun Mo Yoo, sammen med Loren Pfeffer, Ken West, og Kirk Baldwin, ved Princeton University.

Billeder under overfladen

Til dato, forskere har kun kunnet måle elektronernes energi og momentum på et materiales overflade. For at gøre det, de har brugt vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi, eller ARPES, en standardteknik, der anvender lys til at ophidse elektroner og få dem til at springe ud fra et materiales overflade. De udstødte elektroner fanges, og deres energi og momentum måles i en detektor. Forskere kan derefter bruge disse målinger til at beregne energi og momentum for elektroner i resten af ​​materialet.

"[ARPES] er vidunderlig og har fungeret fantastisk til overflader, "Ashoori siger." Problemet er, der er ingen direkte måde at se disse båndstrukturer inden for materialer. "

Ud over, ARPES kan ikke bruges til at visualisere elektronadfærd i isolatorer - materialer, inden for hvilke elektrisk strøm ikke flyder frit. ARPES fungerer heller ikke i et magnetfelt, som i høj grad kan ændre elektroniske egenskaber inde i et materiale.

Teknikken udviklet af Ashooris team optager, hvor ARPES slutter og gør det muligt for forskere at observere elektronenergier og momenta under overfladerne af materialer, herunder i isolatorer og under et magnetfelt.

"Disse elektroniske systemer eksisterer efter deres natur under overfladen, og vi vil virkelig gerne forstå dem, "Ashoori siger." Nu er vi i stand til at få disse billeder, som aldrig er blevet skabt før. "

Tunnel igennem

Holdets teknik kaldes momentum og energiløs tunnelspektroskopi, eller MERTS, og er baseret på kvantemekanisk tunneling, en proces, hvorved elektroner kan krydse energiske barrierer ved blot at dukke op på den anden side - et fænomen, der aldrig forekommer i makroskopiske, klassiske verden, som vi lever i. Imidlertid, på kvanteskalaen for individuelle atomer og elektroner, bizarre effekter som tunneling kan lejlighedsvis finde sted.

"Det ville være som om du var på en cykel i en dal, og hvis du ikke kan pedalere, du ville bare rulle frem og tilbage. Du ville aldrig komme over bakken til den næste dal, "Ashoori siger." Men med kvantemekanik, måske en gang ud af hvert par tusinde eller millioner gange, du ville bare dukke op på den anden side. Det sker ikke klassisk. "

Ashoori og hans kolleger anvendte tunnel til at undersøge et todimensionalt ark med galliumarsenid. I stedet for at skinne lys for at frigive elektroner ud af et materiale, som forskere gør med ARPES, holdet besluttede at bruge tunneling til at sende elektroner ind.

Teamet oprettede et todimensionalt elektronsystem kendt som en kvantebrønd. Systemet består af to lag galliumarsenid, adskilt af en tynd barriere fremstillet af et andet materiale, aluminium gallium arsenid. Normalt i et sådant system, elektroner i galliumarsenid frastødes af aluminiumgalliumarsenid, og ville ikke gå gennem barrierelaget.

"Imidlertid, i kvantemekanik, en gang imellem, en elektron dukker bare igennem, "Siger Jang.

Forskerne anvendte elektriske pulser til at skubbe elektroner ud fra det første lag af galliumarsenid og ind i det andet lag. Hver gang en pakke elektroner tunnellerede gennem barrieren, holdet var i stand til at måle en strøm ved hjælp af fjernelektroder. De afstemte også elektronernes momentum og energi ved at anvende et magnetfelt vinkelret på tunneleringsretningen. De begrundede, at de elektroner, der var i stand til at tunnelere igennem til det andet lag af galliumarsenid, gjorde det, fordi deres momenta og energier faldt sammen med de elektroniske tilstande i det lag. Med andre ord, momentum og energi for elektronerne, der tunnellerer til galliumarsenid, var de samme som for elektronerne, der var inde i materialet.

Ved at indstille elektronpulser og registrere de elektroner, der gik igennem til den anden side, forskerne var i stand til at kortlægge elektronernes energi og fremdrift i materialet. På trods af at de findes i et fast stof og er omgivet af atomer, disse elektroner kan nogle gange opføre sig ligesom frie elektroner, omend med en "effektiv masse", der kan være anderledes end den frie elektronmasse. Dette er tilfældet for elektroner i galliumarsenid, og den resulterende fordeling har form som en parabel. Måling af denne parabel giver et direkte mål for elektronens effektive masse i materialet.

Eksotisk, usynlige fænomener

Forskerne brugte deres teknik til at visualisere elektronadfærd i galliumarsenid under forskellige forhold. I flere forsøgskørsler, de observerede "knæk" i den resulterende parabel, som de fortolkede som vibrationer i materialet.

"Gallium og arsenatomer kan lide at vibrere ved bestemte frekvenser eller energier i dette materiale, "Ashoori siger." Når vi har elektroner omkring disse energier, de kan ophidse disse vibrationer. Og vi kunne se det for første gang, i de små knæk, der dukkede op i spektret. "

De kørte også eksperimenterne under et sekund, vinkelret magnetfelt og var i stand til at observere ændringer i elektronadfærd ved givne feltstyrker.

"I et vinkelret felt, parabolerne eller energierne bliver til diskrete spring, som et magnetfelt får elektroner til at gå rundt i cirkler inde i dette ark, "Siger Ashoori.

"Dette er aldrig set før."

Forskerne fandt også, at under visse magnetfeltstyrker, den almindelige parabel lignede to stablede donuts.

”Det var virkelig et chok for os, "Siger Ashoori.

De indså, at den unormale fordeling var et resultat af elektroner, der interagerede med vibrerende ioner i materialet.

"Under visse betingelser, vi fandt ud af, at vi kan få elektroner og ioner til at interagere så stærkt, med den samme energi, at de ligner en slags sammensatte partikler:en partikel plus en vibration sammen, "Siger Jang.

Yderligere uddybning, Ashoori forklarer, at "det er som et fly, rejse med en bestemt hastighed, derefter ramte den soniske barriere. Nu er der denne sammensatte ting i flyet og den soniske bom. Og vi kan se denne slags soniske boom - vi rammer denne vibrationsfrekvens, og der sker noget ryk der. "

Teamet håber at bruge sin teknik til at udforske endnu mere eksotiske, usynlige fænomener under materialeoverfladen.

"Elektroner forudsiges at gøre sjove ting som at klynge sig ind i små bobler eller striber, "Ashoori siger." Det er ting, vi håber at se med vores tunnelteknik. Og jeg tror, ​​vi har magten til det. "