Φανταστείτε μια μπάλα να αναπηδά από τις πλευρές ενός τραπεζιού μπιλιάρδου σε σχήμα γηπέδου. Ανεξάρτητα από το πού ξεκινά η μπάλα, η τροχιά της θα καλύψει τελικά ολόκληρο το τραπέζι και θα το κάνει με έναν φαινομενικά ακανόνιστο τρόπο — σε έντονη αντίθεση με τον τρόπο με τον οποίο ένας πλανήτης περιφέρεται γύρω από ένα αστέρι, για παράδειγμα. Αυτό το απρόβλεπτο είναι χαρακτηριστικό του χάους, αλλά αν η μπάλα είναι στην πραγματικότητα ένα κβαντομηχανικό σωματίδιο, η χαοτική του συμπεριφορά εκδηλώνεται με την εμφάνιση περίεργων καταστάσεων που είχαν προβλεφθεί πριν από τέσσερις δεκαετίες1. Αυτές οι «κβαντικές ουλές» έχουν πλέον οπτικοποιηθεί απευθείας σε ένα σύστημα στερεάς κατάστασης, το οποίο ο Ge et al.2 αναφορά στο in Φύση.
Διαβάστε την εργασία: Άμεση απεικόνιση σχετικιστικών κβαντικών ουλών σε κβαντικές κουκκίδες γραφενίου
Στην κλασική περίπτωση, εάν η μπάλα του μπιλιάρδου είναι στοχευμένη με ακρίβεια, μπορεί να ακολουθεί ορισμένες περιοδικές τροχιές στο τραπέζι σε σχήμα γηπέδου: μπορεί να αναπηδά μπρος-πίσω μεταξύ των παράλληλων πλευρών του τραπεζιού, για παράδειγμα, ή να χαράξει ένα σχήμα παπιγιόν. Αλλά αυτές οι τροχιές είναι ασταθείς – ακόμη και μια μικρή απόκλιση από την περιοδική διαδρομή της θα έχει ως αποτέλεσμα η μπάλα να επισκεφτεί τελικά κάθε σημείο στο τραπέζι, με αμελητέα πιθανότητα να επιστρέψει στην αρχική της τροχιά. Αντίθετα, η πιθανότητα εύρεσης ενός κβαντικού σωματιδίου ενισχύεται κατά μήκος τροχιών που αντιστοιχούν στις κλασικές περιοδικές τροχιές και αυτές οι καταστάσεις υψηλότερης πιθανότητας σχηματίζουν τις κβαντικές ουλές.
Επειδή τα κβαντικά αντικείμενα παρουσιάζουν συμπεριφορά σωματιδιακής και κυματικής, κβαντικές ουλές μπορούν επίσης να προκύψουν στα κλασικά συστήματα. Για παράδειγμα, κβαντικές ουλές έχουν παρατηρηθεί σε συστήματα υγρών στα οποία τα κύματα περιορίζονται από διαμορφώσεις που προκαλούν χαοτικές συμπεριφορές (όπως αυτές σε ένα τραπέζι σε σχήμα σταδίου)3,4. Οι ερευνητές έχουν επίσης αναζητήσει υπογραφές κβαντικών ουλών σε συστήματα συμπυκνωμένης ύλης, όπως οι κβαντικές κουκκίδες, οι οποίες είναι συσκευές ημιαγωγών που μπορούν να περιορίσουν τους φορείς φόρτισης. Η εύρεση τέτοιων ουλών θα είχε επιπτώσεις στην απόδοση των ηλεκτρονικών που βασίζονται σε αυτές τις μικροσκοπικές συσκευές, επειδή η αυξημένη πιθανότητα εύρεσης φορέων φορτίου κατά μήκος συγκεκριμένων τροχιών θα μπορούσε να ενισχύσει την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα.
Ωστόσο, η παρατήρηση ουλών σε κβαντικές κουκκίδες έχει αποδειχθεί μια πρόκληση: προηγούμενα πειράματα5–7 περιορίζονταν είτε από ανεπαρκή χωρική ανάλυση είτε από ατέλειες του δείγματος. Γε et al. αντιμετώπισε αυτά τα ζητήματα συνδυάζοντας μια δημιουργική τεχνική για την κατασκευή κβαντικών σημείων με μια μέθοδο γνωστή ως μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας, η οποία τους επέτρεψε να δημιουργήσουν τις κουκκίδες και επίσης να απεικονίσουν τις ουλές (Εικ. 1).
Εικόνα 1 | Ανίχνευση κβαντικών ουλών στο γραφένιο.Γε et al.2 χρησιμοποίησε μια συσκευή που ονομάζεται μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (STM), εξοπλισμένο με ένα αιχμηρό μεταλλικό άκρο, για να κατασκευάσει δομές γνωστές ως κβαντικές κουκκίδες, οι οποίες μπορούν να περιορίσουν τους φορείς φορτίου. Το σύστημά τους αποτελούνταν από γραφένιο (ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα) στο υλικό εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (hBN) και οι κβαντικές κουκκίδες τους είχαν σχήμα σταδίου. Ένα σωματίδιο που περιορίζεται σε αυτό το σχήμα μπορεί να ακολουθήσει μια περιοδική τροχιά που μοιάζει με παπιγιόν, αλλά οποιαδήποτε ελαφριά διαταραχή θα κάνει το σωματίδιο να εγκαταλείψει αυτό το μονοπάτι και να μην επιστρέψει ποτέ σε αυτό. Ωστόσο, στην περίπτωση ενός κβαντομηχανικού σωματιδίου, όπως ένα ηλεκτρόνιο, η πιθανότητα εύρεσης του σωματιδίου ενισχύεται κατά μήκος της τροχιάς του παπιγιόν, δημιουργώντας ειδικές καταστάσεις γνωστές ως κβαντικές ουλές. Εάν τα τοιχώματα της κβαντικής κουκκίδας δεν είναι τέλεια κάθετα, οι ουλές παίρνουν τη μορφή ενός συμβόλου απείρου αντί για ένα παπιγιόν. Γε et al. ήταν σε θέση να απεικονίσουν απευθείας αυτές τις ουλές χρησιμοποιώντας ένα STM.
Οι κβαντικές κουκκίδες κατασκευάστηκαν από γραφένιο (ένα στρώμα ατόμων άνθρακα) πάνω από το υλικό εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (hBN). Για να περιοριστούν οι φορείς φορτίου, οι κβαντικές κουκκίδες έπρεπε να λάβουν τη μορφή φρεατίων με αρκετά αιχμηρές άκρες, κάτι που οι συγγραφείς πέτυχαν χρησιμοποιώντας μια τεχνική που αναπτύχθηκε από μέλη της ίδιας ομάδας8. Τροποποιώντας αυτή τη μέθοδο για να κάνουν τις κβαντικές κουκκίδες τους σε σχήμα σταδίου, αντί για κυκλικές, ο Ge et al. θα μπορούσε να παρακινήσει τους φορείς φορτίου να υποστούν χαοτική κίνηση, αντί για την κανονική δυναμική που ανέφεραν προηγουμένως.
Στη συνέχεια, οι συγγραφείς απεικόνισαν αυτήν την κίνηση με ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (STM), το οποίο είναι μια συσκευή εξοπλισμένη με ένα αιχμηρό μεταλλικό άκρο που σαρώνει σε ένα δείγμα. Όταν εφαρμόζεται τάση μεταξύ του άκρου και του δείγματος, το μικροσκόπιο μπορεί να μετρήσει μια ιδιότητα που σχετίζεται με την πιθανότητα εύρεσης ηλεκτρονίου σε μια δεδομένη θέση ως συνάρτηση της ενέργειας και αυτή η ενέργεια μπορεί να συντονιστεί αλλάζοντας την τάση. Το STM είναι επομένως ένα ιδανικό εργαλείο για την οπτικοποίηση των κβαντικών ουλών, παρέχοντας στους συγγραφείς εξαιρετικά υψηλή ενεργειακή ανάλυση με την οποία μπορούν να απεικονίσουν τα μοτίβα των φορέων φορτίου στις εξαιρετικά κατασκευασμένες κβαντικές κουκκίδες τους.
Τα ευέλικτα ουδέτερα άτομα προσλαμβάνουν κβαντικά κυκλώματα
Γε et al. παρατήρησε δύο είδη κβαντικών ουλών, που εκδηλώνονται ως μοτίβα συγκέντρωσης που μοιάζουν με παπιγιόν και ράβδωση. Σύμφωνα με τις θεωρητικές προβλέψεις1κάθε τύπος ουλής εμφανίζεται σε πολλές διαφορετικές ενέργειες. Το σημαντικότερο είναι ότι τα ηλεκτρόνια που παράγουν αυτά τα μοτίβα συμπεριφέρονται σαν να είναι σχεδόν σχετικιστικά, που σημαίνει ότι η ενέργειά τους είναι ευθέως ανάλογη με την ορμή τους, όπως ισχύει για τα σωματίδια που κινούνται με την ταχύτητα του φωτός. Αυτό φάνηκε στις ενέργειες που μέτρησε η ομάδα. Οι ενέργειες διαφορετικών ουλών που αντιστοιχούν στην ίδια ασταθή τροχιά αναμένεται να απέχουν ίσα όταν οι φορείς φορτίου είναι σχετικιστικοί9και τα πειράματα των Ge και των συνεργατών τους επαλήθευσαν άμεσα αυτήν την πρόβλεψη για τουλάχιστον δύο περιοδικές τροχιές.
Η μελέτη ανοίγει την πόρτα σε πολλές κατευθύνσεις έρευνας. Η ικανότητα των συγγραφέων να περιορίζουν τα ηλεκτρόνια σε επακριβώς κατασκευασμένες κβαντικές κουκκίδες θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να διερευνήσουν τις κβαντικές ουλές σε πιο περίπλοκες γεωμετρίες πηγαδιών10. Μια άλλη ενδιαφέρουσα πιθανότητα είναι ότι η δημιουργία επιπλέον φρεατίων μέσα στις κβαντικές κουκκίδες θα μπορούσε να προσομοιώσει την εισαγωγή ακαθαρσιών, οι οποίες θα μπορούσαν με τη σειρά τους να χρησιμοποιηθούν για την τροποποίηση ή ακόμη και τον έλεγχο των ιδιοτήτων των ουλών11. Και τέλος, ο Γε et al. Εικασία ότι η δημιουργία και ο χειρισμός σχετικιστικών ουλών στο γραφένιο θα μπορούσε να είναι χρήσιμος για την ενίσχυση της μεταφοράς ηλεκτρονίων στο αναδυόμενο πεδίο της οπτικής ηλεκτρονίων, τη μελέτη των δεσμών ηλεκτρονίων που μιμούνται τη συμπεριφορά του φωτός.
Γενικότερα, η δυνατότητα άμεσης απεικόνισης ουλών σε ένα ηλεκτρονικό σύστημα θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να μελετήσουν πώς οι αλληλεπιδράσεις (μεταξύ φορέων φορτίου, για παράδειγμα) θα μπορούσαν να επηρεάσουν αυτές τις ουλές. Η παρουσία αλληλεπιδράσεων προκαλεί καταστάσεις γνωστές ως κβαντικές ουλές πολλών σωμάτων, οι οποίες έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή τα τελευταία χρόνια12,13. Αλλά οι ουλές πολλών σωμάτων θεωρείται ευρέως ότι εμφανίζονται σε συστήματα στα οποία τα «σώματα» είναι διακριτά – και αλληλεπιδρώντα – αντικείμενα, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη μελέτη τους χρησιμοποιώντας κλασικά κύματα. Ίσως η επιτυχία του Ge και των συναδέλφων του με το γραφένιο μπορεί να ευθυγραμμίσει την καθιερωμένη έρευνα για τις κβαντικές ουλές με τις προσπάθειες ανίχνευσης των συναρπαστικών ομολόγων τους με πολλά σώματα.
Ανταγωνιστικά Συμφέροντα
Οι συγγραφείς δεν δηλώνουν ανταγωνιστικά συμφέροντα.
