Indflydelsesrige elektroner? Fysikere afdækker et kvantforhold

Et team af fysikere har kortlagt, hvordan elektronenergier varierer fra region til region i en bestemt kvantetilstand med enestående klarhed. Denne forståelse afslører en underliggende mekanisme, ved hvilken elektroner påvirker hinanden, betegnet kvantehybridisering, "der havde været usynlig i tidligere forsøg.

Fundene, forskernes arbejde ved New York University, Lawrence Berkeley National Laboratory, Rutgers University, og MIT, er rapporteret i journalen Naturfysik .

"Denne form for relation er afgørende for at forstå et kvanteelektronsystem - og grundlaget for al bevægelse - men var ofte blevet undersøgt ud fra et teoretisk synspunkt og ikke betragtet som observerbart gennem eksperimenter, "forklarer Andrew Wray, en adjunkt i NYUs Institut for Fysik og en af ​​papirets medforfattere. "Bemærkelsesværdigt, dette arbejde afslører en mangfoldighed af energiske miljøer inde i det samme materiale, giver mulighed for sammenligninger, der lader os se, hvordan elektroner skifter mellem tilstande. "

Forskerne fokuserede deres arbejde på bismuth selenid, eller Bi ₂ Se ₃ , et materiale, der har været under intensiv undersøgelse i det sidste årti som grundlag for avancerede informations- og kvanteberegningsteknologier. Forskning i 2008 og 2009 identificerede vismutselenid til at være vært for en sjælden "topologisk isolator" -kvantetilstand, der ændrer måden, hvorpå elektroner på overfladen interagerer med og lagrer information.

Undersøgelser har siden bekræftet en række teoretisk inspirerede ideer om topologiske isolatoroverfladeelektroner. Imidlertid, fordi disse partikler er på et materiales overflade, de udsættes for miljøfaktorer, der ikke findes i hovedparten af ​​materialet, får dem til at manifestere sig og bevæge sig på forskellige måder fra region til region.

Det resulterende vidensgab, sammen med lignende udfordringer for andre materialeklasser, har motiveret forskere til at udvikle teknikker til måling af elektroner med mikron- eller nanometerskala rumlig opløsning, tillader forskere at undersøge elektroninteraktion uden ekstern interferens.

Det Naturfysik forskning er en af ​​de første undersøgelser, der har brugt denne nye generation af eksperimentelle værktøjer, betegnet "spektromikroskopi" - og den første spektromikroskopiundersøgelse af Bi ₂ Se ₃ . Denne procedure kan spore, hvordan bevægelsen af ​​overfladeelektroner adskiller sig fra område til område i et materiale. I stedet for at fokusere på gennemsnitlig elektronaktivitet over et enkelt stort område på en prøveoverflade, forskerne indsamlede data fra næsten 1, 000 mindre regioner.

Ved at udvide terrænet gennem denne tilgang, de kunne observere signaturer af kvantehybridisering i forholdet mellem elektroner i bevægelse, såsom en frastødning mellem elektroniske tilstande, der kommer tæt på hinanden i energi. Målinger fra denne metode belyste variationen af ​​elektroniske kvasipartikler på tværs af materialets overflade.

"Når man ser på, hvordan de elektroniske tilstande varierer i takt med hinanden på tværs af prøveoverfladen, afsløres betingede forhold mellem forskellige slags elektroner, og det er virkelig en ny måde at studere et materiale på, "forklarer Erica Kotta, en NYU -kandidatstuderende og første forfatter på papiret. "Resultaterne giver ny indsigt i fysikken i topologiske isolatorer ved at levere den første direkte måling af kvantehybridisering mellem elektroner nær overfladen."