För första gången, fysiker har utvecklat en teknik som kan kika djupt under ytan av ett material för att identifiera energier och moment av elektroner där.

Energin och rörelsemängden för dessa elektroner, känd som ett materials "bandstruktur, " är nyckelegenskaper som beskriver hur elektroner rör sig genom ett material. bandstrukturen bestämmer ett materials elektriska och optiska egenskaper.

Laget, vid MIT och Princeton University, har använt tekniken för att undersöka ett halvledande ark av galliumarsenid, och har kartlagt elektronernas energi och fart i hela materialet. Resultaten publiceras idag i tidningen Vetenskap .

Genom att visualisera bandstrukturen, inte bara på ytan utan genom ett material, forskare kanske kan identifiera bättre, snabbare halvledarmaterial. De kanske också kan observera de konstiga elektroninteraktionerna som kan ge upphov till supraledning inom vissa exotiska material.

"Elektroner zippar hela tiden runt i ett material, och de har en viss fart och energi, "säger Raymond Ashoori, professor i fysik vid MIT och en medförfattare på tidningen. "Detta är grundläggande egenskaper som kan berätta för oss vilken typ av elektrisk utrustning vi kan tillverka. Mycket av den viktiga elektroniken i världen finns under ytan, i dessa system som vi inte har kunnat undersöka djupt förrän nu. Så vi är väldigt glada - möjligheterna här är ganska stora. "

Ashooris medförfattare är postdoc Joonho Jang och doktorand Heun Mo Yoo, tillsammans med Loren Pfeffer, Ken West, och Kirk Baldwin, vid Princeton University.

Bilder under ytan

Hittills, forskare har bara kunnat mäta elektronernas energi och fart på ett materials yta. Att göra så, de har använt vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi, eller ARPES, en standardteknik som använder ljus för att excitera elektroner och få dem att hoppa ut från materialets yta. De utmatade elektronerna fångas upp, och deras energi och momentum mäts i en detektor. Forskare kan sedan använda dessa mätningar för att beräkna elektronernas energi och momentum i resten av materialet.

"[ARPES] är underbart och har fungerat utmärkt för ytor, "Säger Ashoori." Problemet är, det finns inget direkt sätt att se dessa bandstrukturer i material."

Dessutom, ARPES kan inte användas för att visualisera elektronbeteende i isolatorer - material inom vilka elektrisk ström inte flödar fritt. ARPES fungerar inte heller i ett magnetfält, som i hög grad kan förändra elektroniska egenskaper inuti ett material.

Tekniken som utvecklats av Ashooris team tar upp där ARPES slutar och gör det möjligt för forskare att observera elektronenergier och moment under materialytor, inklusive i isolatorer och under ett magnetfält.

"Dessa elektroniska system finns till sin natur under ytan, och vi vill verkligen förstå dem, ", säger Ashoori. "Nu kan vi få de här bilderna som aldrig har skapats förut."

Tunnel genom

Lagets teknik kallas momentum och energilösad tunnelspektroskopi, eller MERTS, och är baserad på kvantmekanisk tunnel, en process genom vilken elektroner kan passera energiska barriärer genom att helt enkelt dyka upp på andra sidan - ett fenomen som aldrig förekommer i makroskopin, klassiska världen som vi lever i. Dock, i kvantskalan för enskilda atomer och elektroner, bisarra effekter som tunnelering kan ibland ske.

"Det skulle vara som om du cyklar i en dal, och om du inte kan trampa, du skulle bara rulla fram och tillbaka. Du skulle aldrig komma över kullen till nästa dal, "Säger Ashoori." Men med kvantmekanik, kanske en gång av några tusen eller miljoner gånger, du skulle bara dyka upp på andra sidan. Det händer inte klassiskt. "

Ashoori och hans kollegor använde tunnlar för att undersöka ett tvådimensionellt ark med galliumarsenid. Istället för att lysa för att släppa ut elektroner ur ett material, som forskare gör med ARPES, teamet bestämde sig för att använda tunnling för att skicka in elektroner.

Teamet inrättade ett tvådimensionellt elektronsystem som kallas en kvantbrunn. Systemet består av två lager galliumarsenid, åtskilda av en tunn barriär av ett annat material, aluminiumgalliumarsenid. Vanligtvis i ett sådant system, elektroner i galliumarsenid avvisas av aluminiumgalliumarsenid, och skulle inte gå igenom barriärskiktet.

"Dock, inom kvantmekanik, då och då, en elektron bara dyker igenom, "Säger Jang.

Forskarna applicerade elektriska pulser för att mata ut elektroner från det första lagret av galliumarsenid och in i det andra lagret. Varje gång ett paket elektroner tunnlar genom barriären, laget kunde mäta en ström med hjälp av avlägsna elektroder. De avstämde också elektronernas rörelsemängd och energi genom att applicera ett magnetfält vinkelrätt mot tunnelriktningen. De resonerade att de elektroner som kunde tunnla igenom till det andra lagret av galliumarsenid gjorde det eftersom deras momenta och energier sammanföll med de elektroniska tillstånden i det lagret. Med andra ord, rörelsemängden och energin hos elektronerna som tunnlade in i galliumarsenid var desamma som hos elektronerna som finns i materialet.

Genom att ställa in elektronpulser och registrera de elektroner som gick igenom till andra sidan, forskarna kunde kartlägga energin och rörelsemängden hos elektroner i materialet. Trots att de finns i ett fast ämne och omges av atomer, dessa elektroner kan ibland bete sig precis som fria elektroner, om än med en "effektiv massa" som kan skilja sig från den fria elektronmassan. Detta är fallet för elektroner i galliumarsenid, och den resulterande fördelningen har formen av en parabel. Mätning av denna parabel ger ett direkt mått på elektronens effektiva massa i materialet.

Exotisk, osynliga fenomen

Forskarna använde sin teknik för att visualisera elektronbeteende i galliumarsenid under olika förhållanden. I flera experimentella körningar, de observerade "kinks" i den resulterande parabolen, som de tolkade som vibrationer i materialet.

"Gallium och arsenatomer gillar att vibrera vid vissa frekvenser eller energier i detta material, " Ashoori säger. "När vi har elektroner runt dessa energier, de kan väcka dessa vibrationer. Och vi kunde se det för första gången, i de små kinkar som dök upp i spektrumet. "

De körde också experimenten under en sekund, vinkelrätt magnetfält och kunde observera förändringar i elektronbeteende vid givna fältstyrkor.

"I ett vinkelrätt fält, parabolerna eller energierna blir diskreta hopp, som ett magnetfält får elektroner att gå runt i cirklar inuti detta ark, "Säger Ashoori.

"Detta har aldrig setts förut."

Forskarna fann också att under vissa magnetfältstyrkor, den vanliga parabolen liknade två staplade munkar.

"Det var verkligen en chock för oss, "Säger Ashoori.

De insåg att den onormala fördelningen var ett resultat av elektroner som interagerade med vibrerande joner i materialet.

"Under vissa förhållanden, vi fann att vi kan få elektroner och joner att interagera så starkt, med samma energi, att de ser ut som någon sorts kompositpartiklar:en partikel plus en vibration tillsammans, "Säger Jang.

Ytterligare utarbetande, Ashoori förklarar att "det är som ett plan, färdas med en viss hastighet, sedan träffar den soniska barriären. Nu finns det den här sammansatta grejen med planet och den soniska bommen. Och vi kan se den här typen av sonisk boom - vi träffar denna vibrationsfrekvens, och det händer något ryck där."

Teamet hoppas kunna använda sin teknik för att utforska ännu mer exotiska, osynliga fenomen under materialytan.

"Elektroner förutspås göra roliga saker som att samlas i små bubblor eller ränder, "Ashoori säger." Det här är saker vi hoppas få se med vår tunnelteknik. Och jag tror att vi har makten att göra det. "