Kvantebevægelse af elektroner i atomlag viser potentialet for materialer for ele

Sund fornuft kan diktere, at for et objekt at flytte fra et punkt til et andet, den skal igennem alle punkter på stien.

"Forestil dig en, der kører fra Kansas City til Topeka på I-70 - det er sikkert at sige, at han skal være i Lawrence på et tidspunkt under turen, " sagde Hui Zhao, lektor i fysik og astronomi ved University of Kansas. "Eller i basketball, når KU's Josh Jackson modtager en alley-oop-pasning fra Frank Mason III og dunker bolden fra oven til under kanten, bolden skal være i bøjlen på et tidspunkt."

Ikke sådan for elektroner i kvanteverdenen, som for det meste ikke følger sådanne almindelige regler.

"Elektroner kan dukke op på første sal, derefter tredje sal, uden nogensinde at have været på anden sal, " sagde Zhao.

Zhao, sammen med KU fysik kandidatstuderende Frank Ceballos og Self Graduate Fellow Samuel Lane, har netop observeret elektronernes kontraintuitive bevægelse under eksperimenter i KU's Ultrafast Laser Lab.

"I en prøve lavet af tre atomlag, elektroner i det øverste lag flytter til det nederste lag, uden nogensinde at blive opdaget i mellemlaget, " sagde KU-forskeren.

Fordi denne form for "kvante" transport er meget effektiv, Zhao sagde, at det kan spille en nøglerolle i en ny type menneskeskabt materiale kaldet "van der Waals-materialer", som en dag kan bruges i solceller og elektronik.

Deres resultater er netop offentliggjort i Nano bogstaver , et førende tidsskrift om nanovidenskab og nanoteknologi.

KU-forskerholdet fremstillede prøven ved at bruge "Scotch tape"-metoden, hvor enkeltmolekylelag løftes fra en krystal med tape, derefter verificeret under et optisk mikroskop. Prøven indeholder lag af MoS2, WS2 og MoSe ₂ — hvert lag er tyndere end én nanometer. Alle tre er halvledermaterialer og reagerer på lys med forskellige farver. Baseret på det, KU-forskerne brugte en laserpuls af 100 femtosekunders varighed til at frigøre nogle af elektronerne i det øverste MoSe2-lag, så de kunne bevæge sig frit.

"Farven på laserpulsen blev valgt, så kun elektroner i det øverste lag kan frigøres, " sagde Zhao. "Vi brugte derefter en anden laserpuls med den 'rigtige' farve til det nederste MoS2-lag for at detektere udseendet af disse elektroner i det lag. Den anden puls blev med vilje arrangeret til at nå frem til prøven efter den første puls med omkring 1 picosekund, ved at lade den rejse en afstand 0,3 mm længere end den første."

Holdet fandt, at elektroner bevæger sig fra det øverste til det nederste lag på omkring et picosekund i gennemsnit.

"Hvis elektroner var ting, der fulgte 'sund fornuft, som såkaldte klassiske partikler, de ville være i mellemlaget på et tidspunkt i løbet af dette ene picosekund, " sagde Zhao.

Forskerne brugte en tredje puls med en anden farve til at overvåge mellemlaget og fandt ingen elektroner. Den eksperimentelle opdagelse af den kontraintuitive transport af elektroner i stakken af ​​atomlag blev yderligere bekræftet af simuleringer udført af teoretikere Ming-Gang Ju og Xiao Cheng Zeng ved University of Nebraska-Lincoln, der var medforfatter til avisen. Ifølge Zhao, verifikationen af ​​kvantetransport af elektroner mellem atomlag forbundet med van der Waals kraft er opmuntrende nyheder for forskere, der udvikler nye materialer.

"Stenalderen, Bronzealder og jernalder - materialer har været det afgørende element i menneskets historie, " sagde han. "Den moderne informationsteknologiske tidsalder er i vid udstrækning baseret på silicium, som er et resultat af mange årtiers materialeforskning fokuseret på at finde nye materialer og udvikle bedre teknikker til at lave dem med høj kvalitet og lave omkostninger."

Zhao sagde i de seneste årtier, at forskere har lært at justere materialers egenskaber ved at ændre deres størrelse og form på en nanometerskala. En ny form for nanomaterialer, kendt som todimensionelle materialer, blev opdaget for omkring et årti siden. "De er dannet af enkelte lag af atomer eller molekyler, " sagde han. "Det mest kendte eksempel er grafen, et enkelt lag af kulstofatomer. Indtil nu, omkring 100 typer af todimensionelle materialer er blevet opdaget, som de tre brugt i denne undersøgelse. Fordi disse atomlag kan stables ved at bruge van der Waals kraft, de åbnede en helt ny vej til at lave nye funktionelle materialer."

Forskeren sagde, at hans teams arbejde fokuserede på et nøglekrav til sådanne materialer for at være ideelle til elektroniske og optiske applikationer:Elektroner skal være i stand til at bevæge sig mellem disse atomlag effektivt.

"Denne undersøgelse viste, at elektroner kan overføre mellem disse lag på en kvante måde, ligesom i andre ledere og halvledere, " han sagde.