Fysiker vid University of Regensburg har koreograferat förskjutningen av en kvantiserad elektronisk energinivå med atomsvängningar snabbare än en biljondels sekund.
Genom att kasta en boll i luften kan man överföra godtycklig energi till bollen så att den flyger högre eller lägre. En av kvantfysikens konstigheter är att partiklar, t.ex. elektroner, ofta bara kan anta kvantiserade energivärden – som om bollen hoppade mellan specifika höjder, som steg på en stege, snarare än att flyga kontinuerligt.
Qubits och kvantdatorer samt ljusemitterande kvantpunkter (Nobelpriset 2023) använder sig av denna princip. Elektroniska energinivåer kan emellertid förskjutas genom kollisioner med andra elektroner eller atomer. Processer i kvantvärlden sker vanligtvis på atomär skala och är dessutom otroligt snabba.
Med hjälp av en ny typ av ultrasnabbt mikroskop har ett team från Regensburg nu lyckats direkt observera med atomupplösning på ultrasnabba tidsskalor hur energin hos en enskild elektron ställs in av vibrationerna från de omgivande atomerna. Anmärkningsvärt nog kunde de också specifikt kontrollera denna process. Sådana upptäckter kan vara avgörande för utvecklingen av supersnabb kvantteknologi.
Fysikerna använde ett atomärt tunt material för att undersöka hur en diskret energinivå förändras när detta atomskikt rör sig upp och ner som membranet på en trumma. De observerade detta vid en vakans – tomrummet som lämnas efter när en enskild atom avlägsnas.
Sådana atomärt tunna tvådimensionella kristaller, kända för sina mångsidiga, anpassningsbara elektroniska egenskaper, är särskilt intressanta för framtida nanoelektronik. Vakanser i en kristall är lovande kandidater för qubits, kvantdatorernas elementära informationsbärare, eftersom de har diskreta elektroniska energinivåer precis som atomer.
Forskarna fann att de kan ändra en diskret energinivå för defekten genom att utlösa en trumliknande vibration av det atomärt tunna membranet:atomrörelsen hos de omgivande atomerna skiftar och kontrollerar därmed energinivån för vakansen. Dessa resultat publicerades i Nature Photonics .
För att göra denna genombrottsupptäckt var forskarna tvungna att övervinna flera hinder. Atomupplösning på 1 Ångström krävs för att observera atomärt lokaliserade energinivåer och deras dynamik. Dessutom är rörelsen i nanovärlden extremt snabb.
"För att spåra hur en energinivå förändras är det nödvändigt att ta stroboskopiska ögonblicksbilder av energinivån, där varje ögonblicksbild spelas in på mindre än en biljondels sekund, snabbare än pikosekunder", förklarar första författaren Carmen Roelcke.
Alla dessa utmaningar möttes av teamet kring Carmen Roelcke, Lukas Kastner och Yaroslav Gerasimenko i en utarbetad metod som utnyttjar energin och den rumsliga upplösningen hos ett skanningstunnelmikroskop. Samtidigt gör användningen av skräddarsydda ultrakorta laserpulser det möjligt att registrera den extremt snabba dynamiken i slow motion. Den kombinerade expertisen i grupperna Jascha Repp och Rupert Huber skapade den avgörande synergin för den erforderliga ultrasnabba atomskalaspektroskopin.
"Med vårt nya tillvägagångssätt kan vi dechiffrera strukturella rörelser av atomtrummans membran och förskjutningen av den lokala energinivån i slow motion", säger Yaroslav Gerasimenko. Första principsberäkningar av Maximilian Graml och Jan Wilhelm förklarar på ett avgörande sätt hur atomerna i det tunna atomskiktet rör sig under svängningen och hur detta kan påverka de diskreta energinivåerna.
Regensburg-teamets arbete etablerar en ny era i studiet av dynamiken hos atomärt lokaliserade energinivåer och deras interaktion med miljön. Denna upptäckt möjliggör lokal kontroll av diskreta energinivåer på det mest direkta sättet. Till exempel kan rörelsen hos enskilda atomer förändra energistrukturen hos ett material och därmed skapa nya funktioner eller specifikt ändra egenskaperna hos ljusemitterande halvledare och molekyler.
Baserat på den oöverträffade kombinationen av extrem rymd, tid och energiupplösning, är den djupare förståelsen av grundläggande processer som den lokala interaktionen mellan elektroner och gittervibrationer inom räckhåll. Dessutom skulle detta tillvägagångssätt kunna hjälpa till att reda ut hemligheterna bakom nyckelprocesser bakom fasövergångar som supraledning vid hög temperatur som ännu inte har förståtts.
Mer information: Carmen Roelcke et al., Ultrasnabb atomskalig skanningstunnelspektroskopi av en enda vakans i en monolagerkristall. Naturfotonik . DOI:10.1038/s41566-024-01390-6 , www.nature.com/articles/s41566-024-01390-6
Journalinformation: Naturfotonik
Tillhandahålls av University of Regensburg
