Sunt förnuft kan diktera att för ett objekt att flytta från en punkt till en annan, den måste gå igenom alla punkter på vägen.

"Tänk dig någon som kör från Kansas City till Topeka på I-70-det är säkert att säga att han måste vara i Lawrence någon gång under resan, "sa Hui Zhao, docent i fysik och astronomi vid University of Kansas. "Eller i basket, när KU:s Josh Jackson får en grändöppning från Frank Mason III och dunkar bollen uppifrån till under fälgen, bollen måste vara i bågen någon gång. "

Inte så för elektroner i kvantvärlden, som inte följer sådana sunt förnuftsregler för det mesta.

"Elektroner kan dyka upp på första våningen, sedan tredje våningen, utan att någonsin ha varit på andra våningen, "Sa Zhao.

Zhao, tillsammans med KU fysik doktorand Frank Ceballos och Self Graduate Fellow Samuel Lane, har just observerat elektronernas kontraintuitiva rörelse under experiment i KU:s Ultrafast Laser Lab.

"I ett prov av tre atomskikt, elektroner i det översta lagret rör sig till det nedre skiktet, utan att någonsin ses i mittskiktet, "sa KU -forskaren.

Eftersom denna typ av "kvanttransport" är mycket effektiv, Zhao sa att det kan spela en nyckelroll i en ny typ av konstgjorda material som kallas "van der Waals material" som kan användas någon gång i solceller och elektronik.

Deras resultat publicerades just i Nano bokstäver , en ledande tidskrift om nanovetenskap och nanoteknik.

KU -forskargruppen tillverkade provet med hjälp av "Scotch tape" -metoden, där enkelmolekylskikt lyfts från en kristall med tejp, verifieras sedan under ett optiskt mikroskop. Provet innehåller lager av MoS2, WS2 och MoSe ₂ - varje lager tunnare än en nanometer. Alla tre är halvledarmaterial och reagerar på ljus med olika färger. Baserat på det, KU -forskarna använde en laserpuls med en längd av 100 femtosekunder för att frigöra några av elektronerna i det övre MoSe2 -lagret så att de kunde röra sig fritt.

"Färgen på laserpulsen valdes så att endast elektroner i toppskiktet kan frigöras, "Sa Zhao." Vi använde sedan en annan laserpuls med den "rätta" färgen för det nedre MoS2 -lagret för att detektera utseendet på dessa elektroner i det lagret. Den andra pulsen arrangerades avsiktligt för att komma fram till provet efter den första pulsen med cirka 1 pikosekund, genom att låta den resa 0,3 mm längre än den första. "

Teamet fann att elektroner rör sig från det övre till det nedre lagret på ungefär en pikosekund i genomsnitt.

"Om elektroner var saker som följde 'sunt förnuft, som så kallade klassiska partiklar, de skulle befinna sig i mittskiktet någon gång under den här picosekunden, "Sa Zhao.

Forskarna använde en tredje puls med en annan färg för att övervaka mittskiktet och hittade inga elektroner. Den experimentella upptäckten av den kontraintuitiva transporten av elektroner i stacken av atomlager bekräftades ytterligare av simuleringar som utförts av teoretikerna Ming-Gang Ju och Xiao Cheng Zeng vid University of Nebraska-Lincoln, som var medförfattare till tidningen. Enligt Zhao, verifieringen av kvanttransport av elektroner mellan atomskikt som är anslutna av van der Waals kraft är uppmuntrande nyheter för forskare som utvecklar nytt material.

"Stenåldern, Bronsålder och järnålder - material har varit det avgörande elementet i mänsklighetens historia, "sa han." Den moderna informationsteknikåldern är till stor del baserad på kisel, som är ett resultat av många decennier av materialforskning med fokus på att hitta nya material och utveckla bättre tekniker för att göra dem med hög kvalitet och låg kostnad. "

Zhao sa att de senaste decennierna forskare har lärt sig att justera egenskaper hos material genom att ändra storlek och form på en nanometer skala. En ny form av nanomaterial, kallas tvådimensionella material, upptäcktes för ungefär ett decennium sedan. "De bildas av enstaka lager av atomer eller molekyler, "sa han." Det mest kända exemplet är grafen, ett enda lager kolatomer. Än så länge, cirka 100 typer av tvådimensionella material har upptäckts, som de tre som används i denna studie. Eftersom dessa atomlager kan staplas med van der Waals kraft, de öppnade en helt ny väg för att tillverka nya funktionella material. "

Forskaren sa att hans teams arbete fokuserade på ett nyckelkrav för att sådana material ska vara idealiska för elektroniska och optiska applikationer:Elektroner måste kunna röra sig effektivt mellan dessa atomlager.

"Denna studie visade att elektroner kan överföra mellan dessa lager på ett kvantiskt sätt, precis som i andra ledare och halvledare, " han sa.