Ученые изобретают технику для отображения энергии и импульса электронов под поверхностью материала.

Впервые физики разработали технику, которая может находиться глубоко под поверхностью материала, чтобы идентифицировать энергии и импульсы электронов.

Энергия и импульс этих электронов, известные как «зонная структура» материала, являются ключевыми свойствами, описывающими, как электроны движутся по материалу. В конечном счете, зонная структура определяет электрические и оптические свойства материала.
Команда в Массачусетском технологическом институте и Принстонском университете использовала технику для зондирования полупроводникового листа арсенида галлия и наметила энергию и импульс электронов по всему материалу. Результаты опубликованы в журнале Science .
Визуализируя структуру полосы не только на поверхности, но и на материале, ученые могут идентифицировать лучшие, более быстрые полупроводниковые материалы. Они также могут наблюдать странные электронные взаимодействия, которые могут вызвать сверхпроводимость в некоторых экзотических материалах.
«Электроны постоянно закручиваются в материале, и у них есть определенный импульс и энергия», — говорит Раймонд Ашури, профессор физики в Массачусетском технологическом институте, и соавтор статьи. «Это фундаментальные свойства, которые могут рассказать нам, какие электрооборудование мы можем сделать. Многие важные параметры электроники в мире существуют под поверхностью, в этих системах, которые мы до сих пор не смогли проследить до глубины души. «Очень взволнован — возможности здесь довольно обширны».
Соавторами Ashoori являются postdoc Joonho Jang и аспирант Heun Mo Yoo, наряду с Лореном Пфеффером, Кеном Западом и Кирком Болдуином из Принстонского университета.

На сегодняшний день ученым удалось измерить энергию и импульс электронов на поверхности материала. Для этого они использовали спектрометрию фотоэмиссионных разрезов с угловым разрешением или ARPES, стандартную методику, которая использует свет для возбуждения электронов и выведения их из поверхности материала. Выброшенные электроны захватываются, а их энергия и импульс измеряются в детекторе. Ученые могут затем использовать эти измерения для расчета энергии и импульса электронов в остальной части материала.
«[ARPES] замечательный и отлично работает на поверхностях», — говорит Ашурой. «Проблема в том, что нет прямых путей видеть эти полосовые структуры в материалах».
Кроме того, ARPES нельзя использовать для визуализации поведения электронов в изоляторах — материалах, в которых электрический ток не течет свободно. ARPES также не работает в магнитном поле, что может сильно изменить электронные свойства внутри материала.
Техника, разработанная командой Ashoori, берет начало, когда ARPES уходит и позволяет ученым наблюдать энергии электронов и импульсы под поверхностью материалов, в том числе в изоляторах и под магнитным полем.
«Эти электронные системы по своей природе существуют под поверхностью, и мы действительно хотим их понять», — говорит Ашура. «Теперь мы можем получить эти фотографии, которые никогда не были созданы раньше».

Техника этой команды называется импульсной и энергетически разрешенной туннельной спектроскопией или МЕРЦ и основана на квантовомеханическом туннелировании, процесс, посредством которого электроны могут преодолевать энергетические барьеры, просто появляясь с другой стороны — явление, которое никогда не происходит в макроскопическом, классический мир, в котором мы живем. Однако в квантовой шкале отдельных атомов и электронов иногда могут возникать такие необычные эффекты, как туннелирование.
«Это будет похоже на то, что вы на велосипеде в долине, и если вы не можете давить на педаль, вы просто катитесь назад и вперед. Вы никогда не сбегаете с холма в следующую долину», — говорит Ашурой. «Но с квантовой механикой, может быть, один раз из нескольких тысяч или миллионов раз, вы просто появлялись бы с другой стороны. Это не бывает классически».
Ашура и его коллеги использовали туннелирование для исследования двумерного листа арсенида галлия. Вместо того, чтобы подать свет, чтобы выпустить электроны из материала, как это делают ученые с ARPES, команда решила использовать туннелирование для отправки электронов.
Команда создала двумерную электронную систему, известную как квантовая яма. Система состоит из двух слоев арсенида галлия, разделенных тонким барьером, изготовленным из другого материала, арсенида алюминия галлия. Обычно в такой системе электроны в арсениде галлия отталкиваются арсенидом галлия алюминия и не проходят через барьерный слой.
«Однако в квантовой механике время от времени появляется электрон, — говорит Джанг.
Исследователи применили электрические импульсы для извлечения электронов из первого слоя арсенида галлия и во второй слой. Каждый раз, когда пакет электронов проходил через барьер, команда смогла измерить ток с использованием удаленных электродов. Они также настраивали импульс и энергию электронов, применяя магнитное поле, перпендикулярное направлению туннелирования. Они рассуждали, что те электроны, которые были способны просочиться во второй слой арсенида галлия, сделали это потому, что их импульсы и энергии совпадали с импульсами электронных состояний в этом слое. Другими словами, импульс и энергия электронов, туннелирующих в арсенид галлия, были такими же, как у электронов, находящихся в материале.
Путем настройки электронных импульсов и регистрации тех электронов, которые перешли на другую сторону, исследователи смогли отобразить энергию и импульс электронов в материале. Несмотря на существование в твердом теле и окружение атомов, эти электроны иногда могут вести себя как свободные электроны, хотя и с «эффективной массой», которая может быть иной, чем масса свободного электрона. Это имеет место для электронов в арсениде галлия, и полученное распределение имеет форму параболы. Измерение этой параболы дает прямую оценку эффективной массы электрона в материале.
Экзотические, невидимые явления
Исследователи использовали свой метод для визуализации поведения электронов в арсениде галлия при различных условиях. На нескольких экспериментальных трассах они наблюдали «изломы» в полученной параболе, которые они интерпретировали как вибрации внутри материала.
«Галлий и атомы мышьяка любят вибрировать на определенных частотах или энергиях в этом материале», — говорит Ашура. «Когда у нас есть электроны вокруг этих энергий, они могут возбуждать эти вибрации. И мы могли видеть это впервые, в маленьких перегибах, появляющихся в спектре».
Они также проводили эксперименты под вторым перпендикулярным магнитным полем и имели возможность наблюдать изменения поведения электрона при заданных силах поля.
«В перпендикулярном поле параболы или энергии становятся дискретными скачками, так как магнитное поле заставляет электроны крутиться внутри этого листа», — говорит Ашура.
«Это никогда не видели раньше».
Исследователи также обнаружили, что при определенных сильных магнитных полях обычная парабола напоминала два штабелированных пончика.
«Это был настоящий шок для нас, — говорит Ашура.
Они поняли, что аномальное распределение было результатом взаимодействия электронов с вибрирующими ионами в материале.
«В определенных условиях мы обнаружили, что мы можем заставить электроны и ионы взаимодействовать так сильно, с той же энергией, что они выглядят как какие-то составные частицы: частица плюс вибрация вместе», — говорит Джанг.
Дальнейшая разработка, Ашурой объясняет, что «это как самолет, путешествующий с определенной скоростью, а затем удар по звуковому барьеру. Теперь есть эта сложная вещь в плане и звуковом буме. И мы можем видеть этот звуковой бум — мы «поражая эту вибрационную частоту, и там что-то происходит».
Команда надеется использовать свою технику для изучения еще более экзотических, невидимых явлений ниже материальной поверхности.
«Предполагается, что электроны будут делать забавные вещи, такие как кластер, в маленькие пузырьки или полосы, — говорит Ашура. «Это то, что мы надеемся увидеть с помощью нашей техники туннелирования. И я думаю, что мы можем это сделать».


Еще интересно почитать: