Lys på tyve år gammelt elektronmysterium

Groningen -forskere har fundet en forklaring på et mysterium, der har forvirret det fysiske samfund siden 1995. I det videnskabelige tidsskrift Natur torsdag den 28. august (Advance Online Publication), de forklarer, hvorfor elektroner passerer meget små ledninger (kendt som kvantepunktskontakter) mindre problemfrit end forventet. Gruppens observationer ledet af Prof. C.H. van der Wal fra Zernike Institute for Advanced Materials fra University of Groningen vil påvirke elektronik på nanoskala:"Vores tankegang om dette har været for naiv indtil videre."

Mysteriet vedrører nanotråde, der er omkring hundrede atomer brede. Allerede i 1988, den hollandske fysiker Bart van Wees, i øjeblikket professor ved Zernike Institute, opdagede en bemærkelsesværdig effekt i denne form for tråd. Da han gjorde dem bredere, strømningen steg ikke gradvist, men trinvist. Van der Wal:'Dette kan forklares med kvanteeffekter, der opstod i ledningerne. Der er en formel, der præcist beskriver, hvordan disse trin sker. '

Uventet top

Imidlertid, i det første trin, med de tyndeste ledninger, en lille undtagelse i den gradvise stigning blev konsekvent fundet. 'Du ser en uventet top, hvorefter ledningen stiger mindre hurtigt end forventet i et stykke tid. Dette blev allerede noteret i den første publikation om dette af Van Wees, men oprindeligt troede forskere, at inkonsekvensen skyldtes småfejl i det anvendte materiale. ' I 1995 blev det vist, at det ikke var sådan. 'Toppen var virkelig, hvilket betød, at fysiske processer forekom, som vi ikke rigtigt forstod. ' Hundredvis af publikationer er dukket op om fænomenet, kendt som 'Zero Bias Anomaly' (ZBA), men ingen kunne finde ud af, hvad der forårsagede det.

Et par år siden, en af ​​Van der Wals ph.d. -studerende lavede en række af denne type kvantetråd. 'De var tiltænkt en helt anden type forskning. Imidlertid, vi observerede toppen og nogle andre interessante tendenser. ' Van der Wal besluttede at oprette et separat forskningsprojekt.

Bjergpas

En pakistansk ph.d. -studerende, Javaid Iqbal, skabt et stort antal af denne type kvantetråd. Ud over de 'almindelige' ledninger, hvis bredde kan tilpasses, han lavede også tråde, hvis længde kunne varieres. Ledningerne, især, er meget forskellige fra de klassiske elektriske ledninger fra vores daglige liv (en ledende kerne omgivet af isolerende materiale), men består af en halvleder, hvorpå elektroder styrer kanten af ​​en lille kanal. Elektroderne skaber et 'sadelpunktspotentiale', en slags et lillebitte bjergpas, hvor elektroderne på hver side styrer stejle vægge.

Van der Wal:'Vi så toppen, som alle andre fandt. Men da vi øgede spændingen over tråden, pludselig var der en dobbelt top. Andre havde også observeret dette, men de mente, at det indikerede, at deres ledning ikke længere fungerede korrekt. ' Ved at arbejde under ekstremt kontrollerede omstændigheder, en brøkdel over absolut nul temperatur, ved at bruge ekstremt rent materiale og ved at teste et stort antal tråde, Van der Wals gruppe har kunnet bevise, at fænomenet er virkeligt. 'Og vi opdagede, at udseendet af ZBA ikke kun var afhængigt af spændingen, men også på trådens længde. '

Mange kropsfysik

Van der Wal kontaktede teoretiske fysikere, der havde arbejdet på ZBA i årevis, især en gruppe i Israel, der havde forudsagt eksistensen af ​​en dobbelt top. 'Men de havde ikke forudsagt, at det også afhang af længde.' Sammen med kolleger fra Tyskland og Spanien, de har fundet en forklaring på fænomenet. 'Vi tror nu, at elektroner bliver fanget oven på "bjergpasset", der danner kvantetråden, 'forklarer Van der Wal.

Elektroner, der strømmer gennem tråden, opfører sig som kvantebølger. 'De bash mod væggene, og nogle gange reflektere fra bjergpassets flanker. De fornemmer også hinandens tilstedeværelse. ' Dette resulterer i en kompleks interaktion mellem forskellige fysiske fænomener. 'Vi kalder dette "mange kropsfysik". Det er meget komplekst. Du kan ikke beskrive, hvordan alle interaktioner forløber med en enkelt, simpel formel. ' Imidlertid, det endelige resultat er, at en elektron er fanget oven på bjergpasset eller, med fysikernes ord, bliver lokaliseret. Dette påvirker ledningernes ledningsevne og resulterer i de mærkelige toppe. 'Og med længere ledninger kan to eller flere elektroner blive lokaliseret, hvilket resulterer i dobbelte eller endda tredobbelte toppe. '

Mere komplekst

'Det, vi nu ved, er, at elektronernes adfærd i denne type kvantetråd er meget mere kompleks, end vi havde troet. Det har alle mulige konsekvenser. ' Egenskaberne ved elektroner, der passerer gennem en sådan ledning, for eksempel deres spin (elektronernes prækessionelle bevægelse), kan ændre sig i ledningen. 'Det er noget, du skal tage højde for.' Kvantetrådene bruges ofte i forskning, for eksempel når man laver Quantum Dots (bruges som bits, når man bygger en kvantecomputer).

Samt artiklen af ​​Van der Wal og hans kolleger, Natur offentliggør en anden artikel om ZBA på torsdag, med mange af de samme konklusioner. 'Mysteriet er således så godt som løst. De sidste detaljer vil resultere i interessante diskussioner, selvom', bemærker Van der Wal entusiastisk.