Ερευνητές κατέγραψαν κβαντικά άλματα ηλεκτρονίων σε video με slow motion κάμερα!

Σύνοψη

• Επιστήμονες από τα πανεπιστήμια του Regensburg, του Marburg και το ερευνητικό κέντρο Jülich ανέπτυξαν μια μέθοδο οπτικοποίησης της κίνησης των ηλεκτρονίων στο γραφένιο.
• Αξιοποιώντας μια πρωτοποριακή slow motion κάμερα που συνδυάζει τεχνολογία laser και ηλεκτρονική μικροσκοπία, η ομάδα παρατήρησε τις μεταβάσεις Landau-Zener-Majorana.
• Οι καταγραφές δείχνουν πώς τα ισχυρά ηλεκτρικά πεδία ωθούν τα ηλεκτρόνια να υπερπηδήσουν τα ενεργειακά κενά στο εσωτερικό του υλικού, εξηγώντας την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το φως.
• Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Nature ανοίγοντας νέους ορίζοντες για τον σχεδιασμό προηγμένων κβαντικών αισθητήρων.

Η παρατήρηση των υποατομικών σωματιδίων και των συμπεριφορών τους κατά την αλληλεπίδραση τους με εξωτερικά ερεθίσματα αποτελούσε διαχρονικά έναν από τους πιο απαιτητικούς τομείς της σύγχρονης φυσικής, κυρίως λόγω της απίστευτης ταχύτητας με την οποία εκτυλίσσονται τα μικροσκοπικά φαινόμενα. 

Φυσικοί από το ερευνητικό κέντρο Forschungszentrum Jülich της Γερμανίας, σε στενή συνεργασία με επιστήμονες από τα πανεπιστήμια του Regensburg, του Marburg και του Graz, πέτυχαν την οπτική καταγραφή της δυναμικής των ηλεκτρονίων εντός του γραφενίου υπό την επίδραση εξαιρετικά ισχυρών ηλεκτρικών πεδίων. 

Μέσα από την επίσημη δημοσίευση τους στο επιστημονικό περιοδικό Nature, οι ερευνητές αναλύουν διεξοδικά τον τρόπο με τον οποίο κατάφεραν να βιντεοσκοπήσουν τη δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας από το φως σε επίπεδο υπο-κύκλου, αξιοποιώντας καινοτόμες τεχνικές ηλεκτρονικής μικροσκοπίας και ειδικά διαμορφωμένους παλμούς laser. Το τεχνολογικό επίτευγμα επιτρέπει στην ακαδημαϊκή κοινότητα να αντιληφθεί πλήρως την πολυπλοκότητα των κβαντικών συστημάτων και προσφέρει τα θεμέλια για την ανάπτυξη νέων ηλεκτρονικών διατάξεων που θα λειτουργούν με πρωτοφανείς ταχύτητες.

Πώς λειτουργεί ο «κβαντικός ανελκυστήρας» στο γραφένιο;

Η νέα κάμερα επέτρεψε στους επιστήμονες του ινστιτούτου Jülich να παρατηρήσουν μεταβάσεις Landau-Zener-Majorana στο γραφένιο. Από την έρευνα τους αποδεικνύεται η δυνατότητα ελέγχου των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των κβαντικών υλικών αποκλειστικά μέσω φωτός, καταγράφοντας την ακριβή στιγμή υπέρβασης των ενεργειακών χασμάτων από τα ηλεκτρόνια.

Η ουσιαστική κατανόηση του πειράματος απαιτεί την εξέταση της ίδιας της δομής του γραφενίου, ενός υλικού που απαρτίζεται από ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα διατεταγμένων σε ένα αυστηρά δισδιάστατο κυψελοειδές πλέγμα. Τα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό των στερεών υλικών καταλαμβάνουν συνήθως καθορισμένες ενεργειακές ζώνες, οι οποίες διαχωρίζονται από απαγορευμένα κενά, γνωστά ευρέως ως ενεργειακά χάσματα. Υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, τα ηλεκτρόνια παραμένουν απολύτως εγκλωβισμένα στις αντίστοιχες ζώνες τους, αδυνατώντας να διασχίσουν τις ενδιάμεσες περιοχές. Κατά τη διάρκεια μιας μετάβασης τύπου Landau-Zener-Majorana, ωστόσο, τα ηλεκτρόνια φαίνεται να ξεπερνούν την απαγορευμένη ζώνη με απρόσμενη ευκολία, σαν να χρησιμοποιούν έναν αόρατο «ανελκυστήρα» που τα μεταφέρει απευθείας στο αμέσως επόμενο ενεργειακό επίπεδο. Το φαινόμενο εκδηλώνεται όταν υψηλής έντασης ηλεκτρικά πεδία, τα οποία στην προκειμένη ερευνητική διάταξη δημιουργήθηκαν μέσω της χρήσης εξειδικευμένων laser, ωθούν τα ηλεκτρόνια με τόσο μεγάλη ορμή ώστε να παρακάμπτουν τους παραδοσιακούς περιορισμούς της κλασικής φυσικής. Καθοριστικός παράγοντας για την επιτυχή ολοκλήρωση της μετάβασης παραμένει η ακριβής ταχύτητα με την οποία τα ηλεκτρόνια προσεγγίζουν το ενεργειακό χάσμα, διαφοροποιώντας αυτή τη δυναμική συμπεριφορά από το γνωστό κβαντικό φαινόμενο της σήραγγας (quantum tunneling) που βασίζεται πρωτίστως στη διέλευση μέσα από έναν δεδομένο χωρικό φραγμό.

Η επιτυχής καταγραφή του εντυπωσιακού αυτού μηχανισμού κατέστη εφικτή μέσα από τον αρμονικό συνδυασμό της σύγχρονης οπτικής τεχνολογίας με την ηλεκτρονική μικροσκοπία απεικόνισης ορμής. Οι επιστήμονες παρακολούθησαν την εξέλιξη των ηλεκτρονίων στο πρώτο επίπεδο της ζώνης Brillouin του γραφενίου, εξασφαλίζοντας μια πλήρη πανοραμική εικόνα του τρόπου με τον οποίο μετακινούνται τα φορτία μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα. Ο Vincent Eggers, πρώτος συγγραφέας της σχετικής μελέτης, εξηγεί πως για να αντιληφθεί κανείς την πραγματική έκβαση μιας περίπλοκης κβαντικής διαδικασίας, οφείλει να είναι σε θέση να παρατηρήσει ταυτόχρονα όλους τους συμμετέχοντες. Παρακολουθώντας ολόκληρο το ενεργειακό τοπίο του στερεού σώματος σε πραγματικό χρόνο, η ερευνητική ομάδα απεικόνισε τον ακριβή μηχανισμό μέσω του οποίου η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρικό ρεύμα στα πιο αρχικά της στάδια.

Το τεράστιο μέγεθος της τεχνικής δυσκολίας που κρύβεται πίσω από την υλοποίηση του πειράματος αναδεικνύεται ξεκάθαρα από την ανάγκη χρήσης εξοπλισμού ικανού για λήψεις με ανάλυση μικρότερη από τη διάρκεια ενός κύκλου του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Τα εργαστήρια που συμμετείχαν στην έρευνα υποστηρίζονται ενεργά από το ευρωπαϊκό χρηματοδοτικό πρόγραμμα ERC Synergy Grant για το ερευνητικό έργο με την ονομασία «Orbital Cinema», το οποίο στοχεύει στην παρατήρηση απίστευτα γρήγορων χημικών αντιδράσεων στις υψηλότερες δυνατές αναλύσεις. Η ικανότητα των ερευνητών να κινηματογραφούν τα ηλεκτρόνια καθώς διασχίζουν τα ενεργειακά επίπεδα των στερεών υλικών αναμένεται να οδηγήσει σε θεαματικές εξελίξεις στον τομέα της μικροηλεκτρονικής και των υπολογιστικών συστημάτων επόμενης γενιάς. Παρέχεται πλέον η βάση για τη δημιουργία κβαντικών αισθητήρων που θα λειτουργούν με λογική αντίστοιχη της μαγνητικής τομογραφίας, αναλύοντας σε τεράστιο βάθος τη δομή των νανοϋλικών. 

Παράλληλα, οι ανακαλύψεις του Forschungszentrum Jülich διαμορφώνουν το απαραίτητο υπόβαθρο για την υλοποίηση οπτικών υπολογιστών, όπου τα ψηφιακά δεδομένα θα μεταδίδονται και θα υφίστανται επεξεργασία χρησιμοποιώντας δέσμες φωτός αντί για συμβατικά ηλεκτρικά ρεύματα, πολλαπλασιάζοντας έτσι την ταχύτητα των συσκευών και μειώνοντας δραστικά την κατανάλωση ενέργειας.

Πηγή – Techgear

ΔΙΑΦΗΜΙΣΗ

BUY & SELL IN CYPRUSwww.buyme.cy

ΔΙΑΦΗΜΙΣΤΕ ΤΙΣ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ή
ΤΗΝ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΗ ΣΑΣ ΚΟΝΤΑ ΜΑΣΕΛΚΥΣΤΙΚΑ ΠΑΚΕΤΑ ΓΙΑ 3 - 6 - 12 ΜΗΝΕΣinfo@aftoforo.com | www.aftoforo.com