Panoraamaikkuna kvanttimaailmaan

Käyttäen uutta hidastettua elektronikameraa, Regensburgin, Marburgin ja Jülichin fyysikot paljastivat, kuinka voimakkaat sähkökentät ajavat grafeenin elektroneja ja aiheuttavat niiden hyppäämisen energia-aukkojen yli näennäisen paradoksaalisella tavalla.

Tutkijaryhmä onnistui visualisoimaan tällaisten siirtymien ultranopeaa dynamiikkaa grafeenimateriaalissa.

Tutkijat havaitsivat, kuinka valopulssin sähkökenttä kiihdyttää elektroneja ja kuinka ne vaihtavat energiavyöhykettä liikkuessaan. Puolijohteissa ja vastaavissa materiaaleissa elektronit voivat käyttää vain tiettyjä energia-alueita, joita kutsutaan vyöhykkeiksi, ja jotka erottaa toisistaan kielletty energia-aukko. Tyypillisesti elektronit pysyvät tiukasti loukussa omilla vyöhykkeillään. Landau-Zener-Majorana -siirtymän aikana elektronit näyttävät kuitenkin voittavan tämän kielletyn alueen helposti.

Elektronien liiketilojen hidastetut kuvat paljastivat yllättävän tuloksen: Voimakkaiden valokenttien vaikutuksesta elektronit ylittävät energiavälin jopa sata prosenttisella tunneloinnin todennäköisyydellä. Landau-Zener-Majorana -siirtymien kiehtova ominaisuus on se, että ne voivat tapahtua suurella todennäköisyydellä, vaikka kyseessä olevat energiatilat olisivat selvästi erillään toisistaan.

Uutta menetelmää voidaan käyttää tutkimaan paitsi perustavanlaatuisia kvanttimekaanisia siirtymiä, myös prosesseja, jotka rajoittavat elektronien kohdennettua ohjausta.

Grafeenilla tehdyt mittaukset osoittavat jo, kuinka vuorovaikutus kidehilan kanssa häiritsee elektronien alun perin järjestäytynyttä liikettä. Tällaiset löydökset ovat erityisen tärkeitä tulevaisuuden teknologioiden kehittämiselle, joissa elektroneja ei enää ohjata pelkästään sähköjännitteillä, vaan suoraan erittäin nopeilla valon värähtelyillä.

Tai kuten Giacomo Inzani Regensburgin yliopistosta tiivistää asian: "Kokeemme avaa panoraamaikkunan kvanttimaailmaan. Nyt voimme seurata reaaliajassa, miten elektronit liikkuvat materiaalin energiamaisemassa. Ja tämä on vasta alkua.

Menetelmäämme voidaan soveltaa moniin muihin kvanttimateriaaleihin, mikä avaa täysin uusia mahdollisuuksia niiden elektronisten ominaisuuksien valikoivaan hallintaan valon avulla."

Aiheesta aiemmin:

Kuvia kvanttimateriaalien lämmön atomitason liikehdinnästä

Elektroniikasta 1000 kertaa nopeampaa

Kvanttimateriaalitutkimuksen uudet työkalut