Spojením kvantovej fyziky a fyziky pevných látok výskumníci Národného inštitútu pre štandardy a technológie (NIST) použili magnetické polia na uzavretie skupín elektrónov do sériu sústredných krúžkov v graféne, jednej vrstve tesne uložených atómov uhlíka.
Táto stupňoví "svadobná torta" na obrázkoch nižšie ukazuje štruktúru energetických hladín elektrónov a experimentálne potvrdzuje, ako elektróny interagujú v tesne uzavretom priestore podľa dlho neotestovaných pravidiel kvantovej mechaniky. Tieto zistenia by mohli mať aj praktické aplikácie v oblasti kvantovej výpočtovej techniky.
Grafén je veľmi nádejným materiálom pre nové elektronické zariadenia z dôvodu svojej mechanickej pevnosti, vynikajúcej schopnosti viesť elektrickú energiu a jeho ultratenkej v podstate dvojrozmernej štruktúre. Z týchto dôvodov vedci vítajú akékoľvek nové poznatky o tomto zázračnom materiály.
Výskumníci, ktorí zverejnili svoje výsledky v časopise Science z 24. augusta, začali experiment tým, že vytvorili kvantové body - malé ostrovčeky, ktoré pôsobia ako umelé atómy - v zariadeniach s grafénom ochladeným na niekoľko stupňov nad absolútnou nulou.
Elektróny obiehajú kvantové body spôsobom, ktorý je veľmi podobný tomu, ako obiehajú atómy. Podľa pravidiel kvantovej teórie, rovnako ako pri priečkach na rebríku, môžu obsadiť len úrovne s určitými energiami. Ale, stalo sa niečo zvláštne, keď výskumníci použili magnetické pole, ktoré ďalej obmedzovalo elektróny obiehajúce kvantovú bodku. Keď aplikované pole dosiahlo intenzitu približne 1 Tesla (asi 100-násobok typickej sily malého tyčového magnetu), elektróny sa priblížili a začali silnejšie interagovať.
V dôsledku toho sa elektróny znovu usporiadali do nového vzoru: striedajúcej sa série vodivých a izolačných sústredných krúžkov na povrchu. Keď výskumníci naskladali obrazy koncentrických kruhov zaznamenaných na rôznych úrovniach energie elektrónov, výsledný obraz pripomínal svadobný koláč s elektrónovou energiou ako vertikálnym rozmerom.
Skenovací tunelovací mikroskop, ktorý zobrazuje povrchy s rozlíšením v atómovom meradle zaznamenávaním toku elektrónov medzi rôznymi oblasťami vzorky a ultraostrým hrotom dotykového mikroskopu, odhalil túto štruktúru.
"Toto je ukážkový učebnicový príklad, ktorý určuje, aký je kombinovaný efekt priestorového a magnetického obmedzenia elektrónov - ktorý riešite na papieri, keď ste prvýkrát v kontakte s kvantovou mechanikou, ale nikto ho v skutočnosti nevidí," povedal NIST vedec a spoluautor článku Joseph Stroscio. "Kľúčom je, že grafén je naozaj dvojrozmerný materiál s odkrytým morom elektrónov na povrchu," dodal. "V predchádzajúcich pokusoch s použitím iných materiálov boli kvantové body zakopané na rozhraní materiálov, takže nikto sa do nich nedokázal pozrieť a zistiť, ako sa energetické úrovne menia, keď sa použije magnetické pole."
Obrázok zobrazujúci hladiny energie v graféne. Skenovanie obrazu z tunelovej spektroskopie ukazuje, že magneticky zachytené elektróny sú usporiadané v štruktúre energetických úrovní, ktorá je podobná svadobnej torte, známej pod označením Landau, označené ako ll (horný panel). Elektróny obmedzené na tieto úrovne vytvárajú sériu izolačných a vodivých krúžkov v graféne (spodný panel).. Kredit: NIST
Grafénové kvantové body boli navrhnuté ako základné zložky niektorých kvantových počítačov.
"Keďže vidíme, že toto správanie začína v stredných poliach s intenzitou len asi 1 Tesla, znamená to, že tieto interakcie elektrón-elektrón budú musieť byť starostlivo zohľadnené pri zvažovaní určitých typov grafénových kvantových bodov pre kvantový výpočty," povedal spoluautor štúdie Christopher Gutiérrez, teraz ena University of British Columbia vo Vancouveri, ktorý vykonal experimenty v NIST spolu s autormi Fereshte Ghaharim a Daniel Walkupom z NIST a University of Maryland.
Tento úspech otvára aj možnosti na to, aby grafén mohol pôsobiť ako to, čo výskumníci označujú za "relativistický kvantový simulátor". Teória relativity opisuje, ako sa objekty správajú pri pohybe pri rýchlosti svetla alebo v jej blízkosti. A elektróny v graféne majú nezvyčajnú vlastnosť - pohybujú sa, akoby boli bez hmotnosti, tak ako je to u častíc svetla. Hoci elektróny v graféne skutočne cestujú oveľa pomalšie ako rýchlosť svetla, ich svetlu podobné hromadné správanie im prinieslo prezývku "relativistická" hmota. Nová štúdia otvára dvere na vytvorenie experimentu vykonateľného takpovediac na stole pre štúdium silne viazanej relativistickej hmoty.
Spolupracovníci v tejto práci zahŕňajú výskumných pracovníkov z Massachusetts Institute of Technology, Harvard University, University of Maryland NanoCenter a Národného inštitútu pre materiálové vedy v Ibaraki, Japonsko.
Z meraní vyplýva, že vedci môžu čoskoro nájsť ešte viac exotických štruktúr produkovaných interakciami elektrónov viazaných na pevné materiály pri nízkych teplotách.
Článok: Christopher Gutiérrez, Daniel Walkup, Fereshte Ghahari, Cyprian Lewandowski, Joaquin F. Rodriguez-Nieva, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Leonid S. Levitov, Nikolai B. Zhitenev and Joseph A. Stroscio. Interaction Driven Quantum Hall Wedding cake-like Structures in Graphene Quantum Dots. Science. Publikovaný 24. Augusta 2018. DOI: 10.1126/science.aar2014
Zdroj: www.nist.gov
Bynk