Ett team av fysiker har kartlagt hur elektronenergier varierar från region till region i ett visst kvanttillstånd med oöverträffad klarhet. Denna förståelse avslöjar en bakomliggande mekanism genom vilken elektroner påverkar varandra, kallad kvant hybridisering, "som hade varit osynlig i tidigare experiment.

Resultaten, forskarnas arbete vid New York University, Lawrence Berkeley National Laboratory, Rutgers University, och MIT, rapporteras i tidningen Naturfysik .

"Denna typ av relation är avgörande för att förstå ett kvanteelektronsystem - och grunden för all rörelse - men hade ofta studerats utifrån en teoretisk synvinkel och inte betraktats som observerbar genom experiment, "förklarar Andrew Wray, en biträdande professor vid NYU:s institution för fysik och en av tidningens medförfattare. "Anmärkningsvärt, detta arbete avslöjar en mångfald av energiska miljöer i samma material, möjliggör jämförelser som låter oss se hur elektroner växlar mellan tillstånd. "

Forskarna fokuserade sitt arbete på vismutselenid, eller Bi ₂ Se ₃ , ett material som har under intensiv utredning under det senaste decenniet som grund för avancerad information och kvantberäkningsteknik. Forskning 2008 och 2009 identifierade vismutselenid för att vara värd för ett sällsynt "topologiskt isolerande" kvanttillstånd som förändrar hur elektroner vid dess yta interagerar med och lagrar information.

Studier sedan dess har bekräftat ett antal teoretiskt inspirerade idéer om topologiska isolatorytelektroner. Dock, eftersom dessa partiklar är på ett material yta, de utsätts för miljöfaktorer som inte finns i huvuddelen av materialet, får dem att manifestera sig och röra sig på olika sätt från region till region.

Den resulterande kunskapsluckan, tillsammans med liknande utmaningar för andra materialklasser, har motiverat forskare att utveckla tekniker för att mäta elektroner med mikron- eller nanometerskalig rumslig upplösning, tillåter forskare att undersöka elektroninteraktion utan yttre störningar.

De Naturfysik forskning är en av de första studierna för att använda denna nya generation av experimentella verktyg, kallad "spektromikroskopi" - och den första spektromikroskopiundersökningen av Bi ₂ Se ₃ . Denna procedur kan spåra hur rörelsen hos ytelektroner skiljer sig från region till region i ett material. Snarare än att fokusera på genomsnittlig elektronaktivitet över ett enda stort område på en provyta, forskarna samlade in data från nästan 1, 000 mindre regioner.

Genom att bredda terrängen genom detta tillvägagångssätt, de kunde observera signaturer av kvantehybridisering i relationerna mellan rörliga elektroner, till exempel en avstötning mellan elektroniska tillstånd som kommer nära varandra i energi. Mätningar från denna metod belyste variationen av elektroniska kvasipartiklar över materialytan.

"Om man tittar på hur de elektroniska tillstånden varierar i tandem med varandra över provytan avslöjar villkorliga förhållanden mellan olika typer av elektroner, och det är verkligen ett nytt sätt att studera ett material, "förklarar Erica Kotta, en NYU -doktorand och första författare på tidningen. "Resultaten ger ny inblick i fysiken hos topologiska isolatorer genom att tillhandahålla den första direkta mätningen av kvantehybridisering mellan elektroner nära ytan."