Elektroner sammenflettet ved hjælp af nyt kvanteværktøj

Forskere har haft held med at skabe en ny "hviskende galleri"-effekt for elektroner i et ark grafen - hvilket gør det muligt præcist at kontrollere et område, der reflekterer elektroner i materialet. De siger, at præstationen kunne udgøre en grundlæggende byggesten til nye former for elektroniske linser, samt kvantebaserede enheder, der kombinerer elektronik og optik.

Det nye system bruger en nålelignende sonde, der danner grundlaget for nutidens scanning tunneling microscopes (STM), muliggør kontrol af både placeringen og størrelsen af ​​det reflekterende område i grafen - en todimensionel form for kulstof, der kun er et atom tyk.

Det nye fund er beskrevet i et papir, der vises i tidsskriftet Videnskab , medforfatter af MIT professor i fysik Leonid Levitov og forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST), University of Maryland, Imperial College London, og National Institute for Materials Science (NIMS) i Tsukuba, Japan.

Når den skarpe spids af STM er placeret over et ark grafen, det producerer en cirkulær barriere på arket, der "fungerer som et perfekt buet spejl" for elektroner, Levitov siger, reflekterer dem tilbage mod midten af ​​cirklen. Denne kontrollerbare refleksionsevne ligner, tilføjer han, til såkaldte "hviskende galleri" indeslutningstilstande, der er blevet brugt i optiske og akustiske systemer - men disse har ikke været indstillelige eller justerbare.

"I optik, hviskende galleritilstande er kendte og nyttige, " siger Levitov. "De giver højkvalitetsresonanser. Men det sædvanlige problem i optik er, at de ikke kan indstilles." tidligere forsøg på at skabe kvante "korraler" for elektroner har brugt atomer præcist placeret på en overflade, som ikke let kan omkonfigureres.

Indeslutningen i dette tilfælde er produceret af grænsen mellem to forskellige områder på grafenoverfladen, svarende til "p"- og "n"-områderne i en transistor. I dette tilfælde, et cirkulært område lige under STM-spidsen antager én polaritet, og det omkringliggende område den modsatte polaritet, skabe en kontrollerbar cirkulær forbindelse mellem de to regioner. Elektroner inde i plader af grafen opfører sig som lyspartikler; I dette tilfælde, det cirkulære kryds fungerer som et buet spejl, der kan fokusere og styre elektronerne.

Det er for tidligt at forudsige, hvilke specifikke anvendelser der kan findes for dette fænomen, Levitov siger, men tilføjer, "Enhver resonator kan bruges til en række ting."

Denne elektronresonator kombinerer flere gode funktioner. Der er helt klart noget særligt ved at have tunability og samtidig høj kvalitet."

Fordi det nye system er baseret på veletableret STM-teknologi, det kunne relativt hurtigt udvikles til brugbare enheder, Levitov foreslår. Og bekvemt, STM'en skaber ikke kun den hviskende gallerieffekt, men giver også et middel til at observere resultaterne, at studere fænomenet. "Spidsen virker dobbelt i dette tilfælde, " han siger.

Dette kunne være et skridt i retning af skabelsen af ​​elektroniske linser, Levitov siger - "et koncept, der fascinerer grafenforskere." I princippet, disse kunne give en måde at observere objekter, der er en tusindedel af størrelsen af ​​dem, der er synlige ved hjælp af lysbølger.

Elektroniske linser ville repræsentere en fundamentalt anderledes tilgang end eksisterende elektronmikroskoper, som bombarderer en overflade med højenergistråler af elektroner, udslette eventuelle subtile effekter i de objekter, der observeres. Elektron linser, derimod ville være i stand til at observere de omgivende lavenergielektroner i selve objektet.

Dette kunne gøre det muligt at studere "subtile ting om, hvordan ladningsbærere opfører sig på et mikroskopisk niveau, som du ikke kan se udefra, " siger Levitov.

Det nye værk af Levitov og hans kolleger giver et stykke af et sådant system - og potentielt andre avancerede elektro-optiske systemer, han siger, såsom negativ-refraktion materialer, der er blevet foreslået som en slags "usynlighedskappe." Den nye hviskegalleritilstand for elektroner er en del af en værktøjskasse, der kan føre til en hel familie af nye kvantebaserede elektronoptiske enheder. Det kan også bruges til at skabe meget følsomme sensorer, da sådanne resonatorer "kan bruges til at øge din følsomhed over for meget små signaler, " siger Levitov.