دوربین الکترونی حرکت آهسته پرش های کوانتومی نور محور در گرافن را نشان می دهد

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

فیزیکدانانی از رگنسبورگ، ماربورگ و یولیچ با استفاده از یک دوربین جدید الکترونی حرکت آهسته نشان دادند که چگونه میدان‌های الکتریکی شدید الکترون‌ها را در گرافن به حرکت در می‌آورند و باعث می‌شوند که آنها به شکلی متناقض از شکاف‌های انرژی عبور کنند. این امر با ترکیبی جدید از فناوری لیزر و میکروسکوپ الکترونی ممکن شد.

رفتار الکترون ها تقریبا معادل سوار شدن بر آسانسور است که در آن نشانگر طبقه به طور ناگهانی از «1»، «2» و «3» به «20» می پرد. شما هرگز از 17 طبقه بین رد نشدید، اما به طبقه 20 می رسید. چیزی که شبیه یک جهش غیرممکن به نظر می رسد در واقع در دنیای کوانتومی امکان پذیر است. چنین فرآیندهایی را انتقال Landau-Zener-Majorana می نامند. مدت‌ها گمان می‌رفت که این انتقال‌ها می‌توانند نقش مهمی را در الکترونیک نیمه‌رساناهای پرسرعت بازی کنند.

یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه Regensburg، Philipps-Universität Marburg و Forschungszentrum Jülich موفق به تجسم دینامیک فوق سریع چنین انتقال‌هایی در گرافن ماده شده‌اند. این تیم در آخرین مطالعه خود که در مجله Nature منتشر شده است، این دستاورد را گزارش کرده است.

محققان مشاهده کردند که چگونه الکترون ها توسط میدان الکتریکی یک پالس نور شتاب می گیرند و در حین حرکت بین باندهای انرژی جابجا می شوند. در نیمه‌رساناها و مواد مرتبط، الکترون‌ها فقط می‌توانند محدوده‌های انرژی خاصی را اشغال کنند که باند شناخته می‌شوند و با یک شکاف انرژی ممنوع از هم جدا می‌شوند. به طور معمول، الکترون ها به طور محکم در باندهای مربوطه خود به دام می مانند. با این حال، در طول انتقال لاندو-زنر-مایورانا، به نظر می رسد که الکترون ها به راحتی بر این منطقه ممنوعه غلبه می کنند.

به منظور مشاهده چنین فرآیندهای بسیار سریع، این تیم ترکیب جدیدی از فناوری لیزر و میکروسکوپ الکترونی را توسعه دادند. وینسنت ایگرز، نویسنده اول این مطالعه توضیح می دهد: «اگر می خواهید بدانید چه کسی در یک مسابقه پیروز شده است، باید همه شرکت کنندگان را تماشا کنید. به همین ترتیب، ما باید تا آنجا که ممکن است الکترون‌هایی را در یک زمان مشاهده کنیم تا الکترون‌هایی را که در حین حرکت تحت یک انتقال مکانیکی کوانتومی قرار می‌گیرند، بگیریم. این امر توسط یک میکروسکوپ حرکتی به اصطلاح فوتوگسیل امکان پذیر می شود. برخلاف میکروسکوپ معمولی، تصاویر بزرگنمایی شده از اجسام را نشان نمی دهد.

در عوض، انرژی ها و حالات حرکت الکترون ها را ثبت می کند و از آنها برای ایجاد نقشه ای از توزیع آنها استفاده می کند.

چالش ویژه ترکیب طیف‌سنجی الکترونی با میدان‌های نوری نوسانی قوی و بسیار سریع بود که الکترون‌ها را به شیوه‌ای هدفمند به حرکت در می‌آورد. روپرت هوبر می‌گوید: «تیم ما سال‌ها روی این آزمایش کار کرد. اکنون، می‌توانیم الکترون‌هایی را که در کل چشم‌انداز انرژی یک جامد در حال حرکت هستند، ردیابی کنیم.»

شریک همکاری او اولریش هوفر (یکی از پیشگامان طیف‌سنجی الکترونی فوق سریع) می‌افزاید: «توانایی مشاهده چنین فرآیند مکانیکی کوانتومی بنیادی در طول اولین کمپین اندازه‌گیری، لحظه بسیار ویژه‌ای برای ما بود – همچنین با نمونه‌هایی که استفاده کردیم امکان‌پذیر شد.»

اندازه‌گیری‌ها بر اساس لایه‌های کربنی نازک اتمی ساخته شده با بالاترین خلوص است که در Forschungszentrum Jülich تولید شده‌اند. "این آزمایش‌های دقیق به موادی نیاز دارند که در سطح اتمی تقریبا کامل باشد. این تضمین می‌کند که ناخالصی‌ها دینامیک کوانتومی ظریف الکترون‌ها را پنهان نمی‌کنند. عامل مهم دیگر برای این مطالعه استفاده از گرافن چرخشی بود، ویژه‌ای از Jülich، که به دینامیک کوانتومی اجازه می‌دهد تا به وضوح آشکار شود."

تصاویر حرکت آهسته نتیجه شگفت انگیزی را نشان دادند: تحت تأثیر میدان های نوری قوی، الکترون ها بر شکاف نواری با احتمال تونل زنی تا 100٪ غلبه می کنند. انتقال Landau-Zener-Majorana می تواند با احتمال زیاد رخ دهد حتی اگر حالت های انرژی درگیر به وضوح از یکدیگر جدا شوند. عامل تعیین کننده سرعت نزدیک شدن الکترون ها به شکاف نواری است. از این نظر، این انتقال دینامیکی اساسا با تونل زنی مکانیکی کوانتومی استاندارد از طریق یک مانع انرژی فضایی متفاوت است.

روش جدید می تواند برای بررسی نه تنها انتقال های مکانیکی کوانتومی بنیادی، بلکه فرآیندهایی که کنترل هدفمند الکترون ها را محدود می کند، مورد استفاده قرار گیرد. اندازه‌گیری‌های روی گرافن نشان می‌دهد که چگونه برهم‌کنش با شبکه کریستالی، حرکت منظم اولیه الکترون‌ها را مختل می‌کند. چنین یافته هایی به ویژه برای توسعه فناوری های آینده که در آن الکترون ها دیگر تنها توسط ولتاژهای الکتریکی کنترل نمی شوند، بلکه مستقیما توسط نوسانات بسیار سریع نور کنترل می شوند، اهمیت دارند.

یا همانطور که جاکومو اینزانی از دانشگاه رگنسبورگ آن را خلاصه می‌کند: "آزمایش ما یک پنجره پانوراما به دنیای کوانتومی باز می‌کند. اکنون، می‌توانیم در زمان واقعی نحوه حرکت الکترون‌ها در چشم‌انداز انرژی یک ماده را دنبال کنیم. و این تازه آغاز است. روش ما را می‌توان برای بسیاری از مواد کوانتومی دیگر اعمال کرد و امکانات کاملا جدیدی را برای کنترل انتخابی نور با خواص الکترونیکی آنها باز می‌کند."

فیلمبرداری زیر چرخه انتقال لاندو-زنر-مایورانا در گرافن، طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-11214-y

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →