Kvantedans i takt med en tromme:Forskere observerer, hvordan energien i en enkelt elektron er indstillet af omgivende atomer

Fysikere ved University of Regensburg har koreograferet skiftet af et kvantiseret elektronisk energiniveau med atomsvingninger hurtigere end en billiontedel af et sekund.

Når man kaster en bold i luften, kan man overføre vilkårlig energi til bolden, så den flyver højere eller lavere. En af kvantefysikkens særheder er, at partikler, f.eks. elektroner, ofte kun kan antage kvantiserede energiværdier – som om bolden sprang mellem bestemte højder, som trin på en stige, i stedet for at flyve uafbrudt.

Qubits og kvantecomputere samt lysudsendende kvanteprikker (Nobelprisen 2023) gør brug af dette princip. Elektroniske energiniveauer kan dog ændres ved kollisioner med andre elektroner eller atomer. Processer i kvanteverdenen foregår normalt på atomare skala og er også utrolig hurtige.

Ved hjælp af en ny type ultrahurtigt mikroskop er det nu lykkedes et hold fra Regensburg direkte at observere med atomopløsning på ultrahurtige tidsskalaer, hvordan energien af ​​en enkelt elektron er tunet af vibrationerne fra de omgivende atomer. Bemærkelsesværdigt var de også i stand til specifikt at kontrollere denne proces. Sådanne opdagelser kan være afgørende for udviklingen af ​​superhurtige kvanteteknologier.

Fysikerne brugte et atomisk tyndt materiale til at undersøge, hvordan et diskret energiniveau ændres, når dette atomlag bevæger sig op og ned som membranen i en tromle. De observerede dette ved en ledig stilling - tomrummet efterladt, når et individuelt atom fjernes.

Sådanne atomisk tynde todimensionelle krystaller, kendt for deres alsidige, tilpasselige elektroniske egenskaber, er særligt interessante for fremtidig nanoelektronik. Ledige stillinger i en krystal er lovende kandidater til qubits, de elementære informationsbærere af kvantecomputere, da de har diskrete elektroniske energiniveauer ligesom atomer.

Forskerne fandt ud af, at de kan ændre et diskret energiniveau af defekten ved at udløse en tromlelignende vibration af den atomare tynde membran:atombevægelsen af ​​de omgivende atomer forskydes og styrer dermed energiniveauet af den ledige plads. Disse resultater blev offentliggjort i Nature Photonics .

For at gøre denne banebrydende opdagelse var forskerne nødt til at overvinde flere forhindringer. Atomopløsning på 1 Ångström er påkrævet for at observere atomisk lokaliserede energiniveauer og deres dynamik. Derudover er bevægelsen i nanoverdenen ekstrem hurtig.

"For at spore, hvordan et energiniveau skifter, er det nødvendigt at tage stroboskopiske øjebliksbilleder af energiniveauet, hvor hvert øjebliksbillede bliver optaget på mindre end en billiontedel af et sekund, hurtigere end picosekunder," forklarer førsteforfatter Carmen Roelcke.

Alle disse udfordringer blev mødt af teamet omkring Carmen Roelcke, Lukas Kastner og Yaroslav Gerasimenko i en kompliceret metode, der udnytter energien og den rumlige opløsning af et scanningstunnelmikroskop. Samtidig gør brugen af ​​skræddersyede ultrakorte laserimpulser det muligt at optage den ekstremt hurtige dynamik i slowmotion. Den kombinerede ekspertise i grupperne Jascha Repp og Rupert Huber skabte den afgørende synergi for den påkrævede ultrahurtige atomskalaspektroskopi.

"Med vores nye tilgang er vi i stand til at dechifrere den strukturelle bevægelse af atomtromlens membran og skiftet af det lokale energiniveau i slowmotion," siger Yaroslav Gerasimenko. First-principles beregninger af Maximilian Graml og Jan Wilhelm forklarer endegyldigt, hvordan atomerne i det atomare tynde lag bevæger sig under oscillationen, og hvordan dette kan påvirke de diskrete energiniveauer.

Regensburg-teamets arbejde etablerer en ny æra i studiet af dynamikken i atomisk lokaliserede energiniveauer og deres interaktion med miljøet. Denne opdagelse muliggør lokal kontrol af diskrete energiniveauer på den mest direkte måde. For eksempel kan bevægelsen af ​​individuelle atomer ændre energistrukturen af ​​et materiale og dermed skabe nye funktionaliteter eller specifikt ændre egenskaberne af lysemitterende halvledere og molekyler.

Baseret på den hidtil usete kombination af ekstrem rum-, tid- og energiopløsning er den dybere forståelse af fundamentale processer såsom den lokale interaktion mellem elektroner og gittervibrationer inden for rækkevidde. Desuden kunne denne tilgang hjælpe med at opklare hemmelighederne bag nøgleprocesser bag faseovergange som f.eks. højtemperatursuperledning, der endnu ikke er forstået.

Flere oplysninger: Carmen Roelcke et al., Ultrahurtig scanningstunnelspektroskopi i atomskala af en enkelt ledig stilling i en monolagskrystal. Naturfotonik . DOI:10.1038/s41566-024-01390-6 , www.nature.com/articles/s41566-024-01390-6

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af University of Regensburg