Undele de electroni pot fi blocate într-un metal pentru prima dată
O echipă de cercetători de la Universitatea Columbia a raportat, într-un studiu publicat în revista Science, prima observare a unor unde de electroni blocate în loc într-un metal. Fenomenul a fost identificat în Pd₅AlI₂, un metal care poate fi desprins în straturi bidimensionale păstrându-și proprietățile metalice.
„Mecanica cuantică prezice că o undă de electron poate, teoretic, să rămână blocată chiar și atunci când există infinit de multe căi de evadare. Acest efect este cunoscut pentru undele de lumină, dar nu a fost niciodată observat anterior pentru electroni”, a declarat Raquel Queiroz, fizician teoretician la Columbia.
Căi concurente care anulează mișcarea electronilor
În mod clasic, metalele conduc electricitatea pentru că electronii lor se pot deplasa liber prin material. În cazul Pd₅AlI₂, cercetătorii au observat însă că electronii se mișcă mai lent decât se așteptau. Analiza a arătat că aranjamentul atomilor și al orbitalilor lor oferă electronilor căi concurente de a „sări” de la un atom la altul, iar aceste căi se anulează reciproc, reținându-i pe mulți dintre electroni. Rezultatele privind această „frustrare” a salturilor electronice au fost publicate anterior în Nature Physics.
Interferența cuantică, mecanismul din spatele blocării
Folosind instrumente de scanare și spectroscopie capabile să imagineze materiale cu precizie la scară atomică, echipa condusă de fizicianul Abhay Pasupathy a observat modele neașteptate în timpul scanărilor inițiale. La o analiză mai atentă, acestea s-au dovedit a fi unde de electroni blocate în apropierea defectelor atomice din rețeaua cristalină a materialului.
„Electronii blocați nu ar trebui să apară într-un metal, dar apar în Pd₅AlI₂. Ceea ce am observat este prima dovadă clară că interferența cuantică poate bloca o stare într-un metal”, a explicat Queiroz, autoarea modelelor care explică observațiile fizice ale echipei.
În mecanica cuantică, mișcarea electronului este descrisă ca unde care pot urma simultan toate căile posibile. Undele pot interfera constructiv, crescând șansele ca electronul să ajungă dintr-un punct în altul, sau distructiv, suprimându-i mișcarea. O interferență distructivă suficient de puternică poate opri complet unda de electron să părăsească un punct, blocând-o efectiv în loc. Fenomenul este cunoscut sub numele de stare legată în continuum (BIC).
De la lumina blocată la aplicații electronice
Deși este prima observare a unui BIC într-un metal, fenomenul a fost identificat anterior pentru lumina. În ultimul deceniu, cercetătorii au reușit să graveze materiale cu modele minuscule care pot reține fotoni individuali.
„Blocarea unei unde este o idee la fel de veche ca mecanica cuantică însăși, dar a fost nevoie de aproape un secol pentru a descoperi cum să o facem cu lumina. Acum am realizat acest lucru cu electronii dintr-un material. Și dacă blochezi o particulă, o poți manipula”, a declarat Xavier Roy, cercetător implicat în studiu.
BIC-urile optice au contribuit la dezvoltarea laserilor, a senzorilor și a opticii neliniare. BIC-urile electronice ar putea duce într-o zi la noi tipuri de senzori cuantici extrem de sensibili, la îmbunătățirea transferului și procesării informației în calculatoarele cuantice și la avansarea chimiei cuantice.
Pași următori: capcane electronice plasate deliberat
În timp ce BIC-urile optice pot fi proiectate intenționat în materiale, echivalentele lor electronice sunt deocamdată aleatorii, rezultat al defectelor apărute în timpul creșterii cristalului de Pd₅AlI₂ în laborator. Roy și Pasupathy explorează în prezent modalități de a introduce deliberat defecte în locuri specifice ale metalului, ceea ce le-ar permite să regleze fin modelele de interferență rezultate.
În materialele izolatoare și semiconductoare, electronii pot fi blocați prin mai multe metode. În semiconductori, aceste stări legate sunt strâns legate de procesul de dopare prin care se obține circulația controlată a curentului, baza tuturor cipurilor folosite astăzi în dispozitivele de calcul. Într-un metal, singura modalitate de a localiza un electron este printr-un BIC, care poate apărea doar în materiale precum Pd₅AlI₂, cu structuri cristaline „frustrate”. Aceasta sugerează că ar putea exista și alte clase de metale cu structuri similare care să găzduiască BIC-uri electronice.
Acum că echipa a confirmat că undele de electroni pot fi blocate în metale și a înțeles mecanismul, cercetătorii dispun de o rețetă cuantică pentru a căuta fenomenul și în alte materiale.
