محققان مشاهده کردند که چگونه انرژی یک الکترون توسط اتم های اطراف تنظیم می شود

خلاصه خبر:

فیزیکدانان دانشگاه رگنسبورگ با هماهنگ سازی تغییر سریع یک سطح انرژی الکترونیکی کوانتیزه شده با استفاده از نوسانات اتمی، به یک شاهکار پیشگامانه دست یافته اند. آنها با مشاهده و کنترل مستقیم این فرآیند، درهایی را برای پیشرفت در فناوری های کوانتومی فوق سریع باز کرده اند. با استفاده از یک میکروسکوپ فوق سریع، محققان مشاهده کردند که چگونه ارتعاشات، اتم های اطراف انرژی یک الکترون را در یک ماده نازک اتمی تنظیم می کند. آنها دریافتند که تحریک یک ارتعاش غشای نازک اتمی، سطح انرژی یک جای خالی، شبیه به یک اتم، در ماده را تغییر میدهد. این پیشرفت، کنترل محلی سطوح انرژی گسسته را امکان پذیر می کند و می تواند به عملکردهای جدید در مواد و دستکاری خواص در نیمه هادی ها و مولکول های ساطع کننده نور منجر شود. این مطالعه گامی مهم به سوی درک پویایی پیچیده سطوح انرژی اتمی موضعی و تعامل آنها با محیط است.

توضیحات تکمیلی:

فیزیکدانان دانشگاه رگنسبورگ با هماهنگ سازی تغییر سریع سطح انرژی الکترونیکی کوانتیزه شده با استفاده از نوسانات اتمی به یک شاهکار پیشگامانه دست یافته اند. این کشف قابل توجه پیامدهای مهمی برای توسعه فناوری های کوانتومی فوق سریع دارد.

محققان از یک میکروسکوپ فوق سریع ابتکاری استفاده کردند تا به طور مستقیم، با وضوح اتمی و در مقیاس های زمانی فوق سریع، نحوه تنظیم انرژی یک الکترون را از ارتعاشات اتم های اطراف مشاهده کنند. آنها همچنین موفق به کنترل این فرآیند شدند و درهایی را برای پیشرفت در فناوری های کوانتومی باز کردند.

برای انجام مطالعه خود، فیزیکدانان از یک ماده اتمی نازک استفاده کردند و بررسی کردند که چگونه یک سطح انرژی گسسته با بالا و پایین رفتن لایه اتمی تغییر می کند، شبیه حرکت پوسته‌ی  یک دِرام. مشاهدات در یک جای خالی (vacancy) انجام شده است، که فضای خالی است که پس از حذف یک اتم باقی می ماند.

کریستال های دو بعدی که به دلیل خواص الکترونیکی همه کاره خود، به ویژه در نانوالکترونیک شناخته می شوند، مورد توجه ویژه قرار گرفتند. جای خالی این کریستال ها به دلیل سطوح انرژی الکترونیکی گسسته آنها که شبیه به اتم ها هستند، کاندیدهای بالقوه ای برای کیوبیت ها، حامل های اطلاعات اولیه در رایانه های کوانتومی هستند. با ایجاد ارتعاش درام مانند غشای نازک اتمی، محققان دریافتند که می توانند سطح انرژی فضای خالی را تغییر دهند. این یافته در Nature Photonics منتشر شده است.

با غلبه بر چالش‌های متعدد، از جمله نیاز به وضوح اتمی و اندازه‌گیری‌های فوق سریع، این تیم با موفقیت عکس‌های فوری استروبوسکوپی (stroboscopic snapshots) از سطح انرژی که هرکدام در کمتر از یک تریلیونم ثانیه ثبت شده‌اند، ثبت کردند. این کار با استفاده از یک میکروسکوپ تونل زنی روبشی (یا همان STM) با پالس های لیزری فوق کوتاه مناسب امکان پذیر شد.

پیشرفتی که توسط تیم Regensburg به دست آمد، عصر جدیدی را در مطالعه پویایی سطوح انرژی اتمی محلی و تعامل آنها با محیط ایجاد می کند.این دستاورد، کنترل محلی مستقیم سطوح انرژی گسسته را امکان پذیر می کند، که می تواند منجر به ایجاد قابلیت های جدید در مواد و دستکاری ویژه‌ی خواص در نیمه هادی ها و مولکول های ساطع کننده نور شود.

این ترکیب بی‌سابقه رزولوشن  شدید در فضا، زمان و انرژی ما را به درک عمیق‌تری از فرآیندهای اساسی، مانند برهمکنش الکترون‌ها با ارتعاشات شبکه نزدیک‌تر می‌کند. علاوه بر این، بینش های بالقوه ای را در مورد پدیده های حل نشده مانند ابررسانایی در دمای بالا ارائه می دهد.

به طور خلاصه، فیزیکدانان دانشگاه رگنسبورگ با مشاهده و کنترل جابجایی سطح انرژی الکترونیکی کوانتیزه شده با استفاده از نوسانات اتمی به پیشرفت قابل توجهی دست یافته اند. این کشف نویدبخش پیشرفت فناوری‌های کوانتومی است و راه‌های جدیدی برای مطالعه مواد کوانتومی پیچیده در سطح میکروسکوپی فراهم می‌کند.

منبع

Carmen Roelcke et al, Ultrafast atomic-scale scanning tunnelling spectroscopy of a single vacancy in a monolayer crystal. Nature Photonics. www.nature.com/articles/s41566-024-01390-6