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主题：能源麻省理工学院物理普林斯顿大学量子力学半导体超导体  点击加载图片 麻省理工学院的科学家已经找到了一种可视化材料表面下电子行为的方法。该团队的技术基于量子力学隧穿，这是一种通过简单地出现在另一侧，电子可以穿过能量障碍的过程。在这张图片中，研究人员展示了不同密度下测得的隧道谱，红色测量值很高。 物理学家第一次开发出一种技术，可以深入到材料表面下方，以识别那里的电子能量和瞬间。 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特性。最终，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利用该技术探测半导体砷化镓片，并绘制出整个材料中电子的能量和动量。结果发表在今天的“科学”杂志上。 通过可视化带结构，不仅在表面而且在整个材料中，科学家们可以识别更好，更快的半导体材料。他们也可能能够观察到奇怪的电子相互作用，这些相互作用可以在某些特殊材料中产生超导性。 “电子在材料中不断拉伸，它们具有一定的动量和能量，”麻省理工学院物理学教授，该论文的共同作者Raymond Ashoori说。“这些是基本属性，可以告诉我们我们可以制造什么样的电气设备。世界上很多重要的电子产品都存在于表面之下，在这些系统中，我们至今都无法深入探究。所以我们非常兴奋 - 这里的可能性非常大。“ Ashoori的合着者是普林斯顿大学的博士后Joonho Jang和研究生Heun Mo Yoo，以及Loren Pfeffer，Ken West和Kirk Baldwin。  点击加载图片 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 - 砷化铝镓制成的薄屏障隔开。然后研究人员应用电脉冲从第一层砷化镓喷射电子并进入第二层。他们推断那些能够穿过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该层中的电子态一致。 表面下方的图片 迄今为止，科学家们只能测量材料表面电子的能量和动量。为此，他们使用角度分辨光电子能谱或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。捕获射出的电子，并在探测器中测量它们的能量和动量。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。 “[ARPES]很精彩，对表面效果很好，”Ashoori说。“问题是，在材料中没有直接看到这些带状结构的方法。” 此外，ARPES不能用于可视化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，磁场会极大地改变材料内部的电子特性。 Ashoori团队开发的技术占据了ARPES离开的地方，使科学家能够观察材料表面下的电子能量和动量，包括绝缘体和磁场。 “这些电子系统本质上存在于表面之下，我们真的想要了解它们，”Ashoori说。“现在我们能够获得以前从未创作过的这些照片。”  点击加载图片 研究人员还发现，在某些磁场强度下，普通抛物线类似于两个堆叠的甜甜圈。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。 隧道穿越 该团队的技术被称为动量和能量分辨隧道光谱，或MERTS，并且基于量子力学隧道效应，电子可以通过简单地出现在另一侧来穿过能量障碍的过程 - 这种现象在宏观，经典中不会发生我们居住的世界。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效应之类的奇怪效应。 “就像你在山谷里骑自行车一样，如果你不能踏板，你就会来回滚动。你永远不会越过山坡到达下一个山谷，“Ashoori说。“但是对于量子力学，也许每过几千或几百万次，你就会出现在另一边。这不是经典的。“ Ashoori和他的同事利用隧道探测二维砷化镓片。正如科学家对ARPES所做的那样，该团队决定使用隧道技术来发送电子，而不是用光照射材料以释放出材料。 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 - 砷化铝镓制成的薄屏障隔开。通常在这样的系统中，砷化镓中的电子被砷化铝镓排斥，并且不会穿过阻挡层。 “然而，在量子力学中，每隔一段时间，一个电子就会突然出现，”Jang说。 研究人员应用电脉冲从第一层砷化镓喷射电子到第二层。每当一包电子穿过屏障时，该团队就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。他们推断那些能够穿过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该层中的电子态一致。换句话说，隧穿到砷化镓中的电子的动量和能量与驻留在材料内的电子的动量和能量相同。 通过调整电子脉冲并记录通过另一侧的电子，研究人员能够绘制材料中电子的能量和动量。尽管存在于固体中并被原子包围，但这些电子有时表现得像自由电子，尽管具有可能与自由电子质量不同的“有效质量”。这是砷化镓中的电子的情况，并且所得到的分布具有抛物线的形状。该抛物线的测量可直接测量材料中电子的有效质量。 异乎寻常的，看不见的现象 研究人员利用他们的技术在不同条件下可视化砷化镓中的电子行为。在几次实验中，他们观察到所产生的抛物线中的“扭结”，它们被解释为材料内的振动。 “镓和砷原子喜欢在这种材料中以某些频率或能量振动，”Ashoori说。“当我们在这些能量附近有电子时，它们可以激发那些振动。我们可以第一次看到光谱中出现的小扭结。“ 他们还在第二个垂直磁场下进行了实验，并能够观察到给定场强下电子行为的变化。 “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这张纸内绕圈旋转，”Ashoori说。 “这从未见过。” 研究人员还发现，在某些磁场强度下，普通抛物线类似于两个堆叠的甜甜圈。 “这对我们来说真的很震撼，”Ashoori说。 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。 “在某些情况下，我们发现我们可以使电子和离子相互作用，具有相同的能量，它们看起来像某种复合粒子：粒子加上振动在一起，”Jang说。 进一步阐述，Ashoori解释说“它就像一架飞机，以一定的速度行进，然后击中声音屏障。现在有飞机和音爆的复合物。而且我们可以看到这种声音 - 我们正在达到振动的频率，并且那里发生了一些震动。“ 该团队希望利用其技术探索材料表面下更奇特，看不见的现象。 Ashoori说：“预计电子会做一些有趣的事情，比如聚集成小气泡或条纹。”“这些是我们希望通过隧道技术看到的东西。我认为我们有能力做到这一点。“ |
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