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电子行为的新窗口

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第一次,物理学家开发了一种技术,可以在材料的表面深处同行,以确定电子的能量和动量。

这些电子的能量和动量(被称为材料的“能带结构”)是描述电子如何穿过材料的关键属性。最终,能带结构决定了材料的电学和光学特性。

麻省理工学院和普林斯顿大学的研究小组已经使用这种技术来探测砷化镓半导体薄片,并绘制出电子在整个材料中的能量和动量。结果发表在“科学”杂志“科学”

通过观察谱带结构,不仅在表面,而且在整个材料中,科学家可能能够识别更好,更快的半导体材料。他们也可以观察到奇怪的电子相互作用,可以在某些特定的材料中产生超导电性。

麻省理工学院的科学家们发现了一种可视化材料表面下的电子行为的方法。这个团队的技术是基于量子力学隧道(quantum mechanical tunneling),这个过程是电子可以通过简单地出现在另一侧而穿越能量障碍的过程。在这张图片中,研究人员展示了不同密度下的测量隧道谱,红色测量值很高。图片由研究人员提供

麻省理工学院物理学教授Raymond Ashoori和论文合着者Raymond Ashoori说:“电子正在不断地在材料中徘徊,它们有一定的动力和能量。 “这些是可以告诉我们可以制造什么样的电气设备的基本属性。世界上有很多重要的电子产品存在于这个表面之下,到目前为止我们还没有深入的探讨这些系统。所以我们非常兴奋 - 这里的可能性非常大。“

Ashoori的合着者是博士后Joonho Jang和研究生Hemo Mo Yoo,以及普林斯顿大学的Loren Pfeffer,Ken West和Kirk Ba​​ldwin。

表面之下的图片

迄今为止,科学家只能测量材料表面电子的能量和动量。为此,他们使用了角分辨光电子能谱法(ARPES),这是一种标准技术,利用光来激发电子并使其从材料表面跳出。被射出的电子被捕获,并且它们的能量和动量在检测器中被测量。然后科学家可以使用这些测量来计算其余材料中电子的能量和动量。

Ashuri说:“[ARPES]非常棒,表面效果很好。 “问题在于,没有直接的方法可以看到材料中的这些能带结构。”

另外,ARPES不能用来显示绝缘体中的电子行为 - 电流不能自由流动的材料。 ARPES在磁场中也不起作用,这会极大地改变材料内部的电子特性。 18522786

由Ashoori团队开发的技术占据了ARPES离开的地方,科学家们可以观察到材料表面下的电子能量和动量,包括绝缘体和磁场。

Ashoori说:“这些电子系统本身就存在于表面之下,我们真的想要了解它们。”Ashoori说。 “现在我们能够得到这些前所未有的图片。”

通过隧道穿越

该团队的技术被称为动量和能量分解隧道谱(MERTS),是基于量子力学隧道,一个过程电子可以通过简单地出现在另一侧穿越能量障碍 - 这是我们所居住的宏观,古典世界从来没有出现过的现象。然而,在单个原子和电子的量子尺度上,偶尔会发生诸如隧道之类的奇怪效应。

“这就好像你在山谷中骑自行车一样,如果你不能踩踏,你就会来回滚动。你永远不会越过山坡到下一个山谷,“Ashoori说。 “但是量子力学可能每隔几千万次就有一次, 你会出现在另一边。这不是典型的情况。“

Ashoori和他的同事们利用隧道技术探测二维砷化镓片。这个团队不像科学家用ARPES那样通过发光来释放电子,而是决定使用隧道来发射电子。

该团队建立了一个称为量子阱的二维电子系统。该系统由两层砷化镓组成,由另一种材料制成的薄障隔开,铝砷化镓。通常在这样的系统中,砷化镓中的电子被铝镓砷排斥,不会穿过阻挡层。 “

”然而,在量子力学中,偶尔会出现一个电子,“Jang说。研究人员利用电脉冲将电子从砷化镓的第一层射入第二层。每次一包电子穿越屏障,团队能够使用远程电极测量电流。他们还通过施加垂直于隧道方向的磁场来调整电子的动量和能量。他们推断那些能够隧穿到第二层砷化镓的电子是这样做的,因为它们的动量和能量与那个层中的电子态相一致。换句话说,隧穿砷化镓的电子的动量和能量与存在于材料内的电子的动量和能量相同。

通过调谐电子脉冲并记录经过另一侧的电子,研究人员能够在材料内映射电子的能量和动量。尽管存在于固体中且被原子所包围,但是这些电子有时可以像自由电子一样行为,尽管具有可能不同于自由电子质量的“有效质量”。砷化镓中的电子就是这种情况,由此产生的分布呈抛物线形状。测量这个抛物线可以直接测量材料中电子的有效质量。

异国情调,看不见的现象

研究人员使用他们的技术来显示砷化镓在各种条件下的电子行为。在几次实验运行中,他们观察到由此产生的抛物线中的“扭结”,它们被解释为材料内的振动。

Ashoori说:“镓和砷原子喜欢以这种材料的某些频率或能量振动。 “当我们有电子在这些能量周围,他们可以激发这些振动。我们可以第一次看到光谱中出现的小扭曲。“

他们还在第二个垂直磁场下进行了实验,并能观察到给定场强下电子行为的变化。

Ashoori说:“在垂直场中,抛物线或能量变成离散的跳跃,因为磁场使得电子在该片内绕着圆圈旋转。

“这是以前从未见过的”

研究人员还发现,在一定的磁场强度下,普通的抛物线就像两个叠加的甜甜圈。

Ashoori说:“我们真的很震惊。他们意识到异常分布是电子与材料内的振动离子相互作用的结果。 “在某些条件下,我们发现我们可以使电子和离子如此强烈地相互作用,具有相同的能量,使得它们看起来像某种复合粒子:一个粒子加上振动。”Jang说。

Ashoori进一步阐述说:“它就像一架飞机,以一定的速度行驶,然后撞击声波屏障。现在有飞机和音爆这种复合的东西。我们可以看到这种音爆 - 我们正在发生这种振动频率,而且发生了一些颠簸。“

该团队希望利用其技术探索材料表面以下更奇特,看不见的现象。 “

”Ashoori说:“电子被预测做像群成有趣的东西成小泡沫或条纹,”。 “这是我们希望看到的东西 隧道技术。而且我认为我们有这样的能力。“

来源:麻省理工学院珍妮弗楚

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