O cameră electronică de înaltă viteză surprinde salturi cuantice induse de lumină în grafen
O echipă de fizicieni de la Universitatea din Regensburg, Universitatea Philipps din Marburg și Centrul de Cercetare Jülich a reușit să vizualizeze, cu ajutorul unei noi camere electronice de înaltă viteză, modul în care câmpurile electrice intense accelerează electronii din grafen și îi determină să traverseze golurile energetice într-un mod aparent paradoxal. Rezultatele au fost publicate în revista Nature.
În semiconductori și în materiale similare, electronii pot ocupa doar anumite intervale de energie, numite benzi, separate între ele prin goluri energetice interzise. În mod obișnuit, electronii rămân blocați în benzile lor. În timpul unei tranziții Landau-Zener-Majorana, însă, electronii par să depășească această zonă interzisă cu ușurință, fără a trece prin stările intermediare.
Pentru a observa astfel de procese extrem de rapide, cercetătorii au dezvoltat o combinație originală de tehnologie laser și microscopie electronică. Instrumentul folosit, un microscop de moment prin fotoemisie, nu produce imagini mărite ale obiectelor, ci înregistrează energiile și stările de mișcare ale electronilor, pe baza cărora construiește o hartă a distribuției acestora.
„Dacă vrei să știi cine a câștigat o cursă, trebuie să urmărești toți participanții”, explică Vincent Eggers, primul autor al studiului. „La fel, trebuie să observăm cât mai mulți electroni simultan pentru a-i prinde pe cei care suferă o tranziție mecanică cuantică în timpul mișcării.”
Provocarea specială a constat în combinarea spectroscopiei electronice cu câmpuri luminoase puternice și cu oscilație extrem de rapidă, care pun electronii în mișcare într-un mod controlat. „Echipa noastră a lucrat la acest experiment timp de mulți ani. Acum putem urmări electronii care se deplasează prin întregul peisaj energetic al unui solid, în timp real”, spune Rupert Huber.
Măsurătorile s-au bazat pe straturi de carbon de purețate maximă, subțiri la nivel atomic, produse la Centrul de Cercetare Jülich. „Aceste experimente de precizie necesită material aproape perfect la nivel atomic. Astfel ne asigurăm că impuritățile nu ascund dinamica cuantică delicată a electronilor. Un alt factor important a fost utilizarea grafenului «rotit», o specialitate de la Jülich, care permite ca dinamica cuantică să iasă în evidență în mod deosebit”, subliniază Stefan Tautz.
Imaginile în slow-motion au scos la iveală un rezultat surprinzător: sub influența câmpurilor luminoase puternice, electronii depășesc golul energetic cu o probabilitate de tunelare de până la 100%. Tranzițiile Landau-Zener-Majorana pot apărea cu probabilitate mare chiar și atunci când stările energetice implicate sunt clar separate între ele. Factorul decisiv este viteza cu care electronii se apropie de golul energetic, ceea ce diferențiază fundamental aceste tranziții dinamice de tunelarea mecanică cuantică standard printr-o barieră energetică spațială.
Noua metodă poate fi folosită nu doar pentru investigarea tranzițiilor cuantice fundamentale, ci și a proceselor care limitează controlul țintit al electronilor. Măsurătorile pe grafen arată deja cum interacțiunile cu rețeaua cristalină perturbă mișcarea ordonată inițială a electronilor. Astfel de constatări sunt importante pentru dezvoltarea tehnologiilor viitoare în care electronii nu mai sunt controlați doar prin tensiuni electrice, ci direct prin oscilațiile extrem de rapide ale luminii.
„Experimentul nostru deschide o fereastră panoramică către lumea cuantică. Acum putem urmări în timp real cum electronii se deplasează prin peisajul energetic al unui material. Și acesta este doar începutul. Metoda noastră poate fi aplicată multor alte materiale cuantice, deschizând posibilități complet noi de control selectiv al proprietăților lor electronice cu ajutorul luminii”, conchide Giacomo Inzani de la Universitatea din Regensburg.
