Voor de eerste keer, natuurkundigen hebben een techniek ontwikkeld die diep onder het oppervlak van een materiaal kan kijken om de energieën en momenten van elektronen daar te identificeren.

De energie en het momentum van deze elektronen, bekend als de "bandstructuur van een materiaal, " zijn sleuteleigenschappen die beschrijven hoe elektronen door een materiaal bewegen. Uiteindelijk de bandstructuur bepaalt de elektrische en optische eigenschappen van een materiaal.

Het team, aan het MIT en Princeton University, heeft de techniek gebruikt om een ​​halfgeleidende plaat van galliumarsenide te onderzoeken, en heeft de energie en het momentum van elektronen door het hele materiaal in kaart gebracht. De resultaten worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Door de bandstructuur te visualiseren, niet alleen aan de oppervlakte, maar door een materiaal heen, wetenschappers kunnen wellicht beter identificeren, snellere halfgeleidermaterialen. Ze kunnen mogelijk ook de vreemde elektroneninteracties waarnemen die aanleiding kunnen geven tot supergeleiding in bepaalde exotische materialen.

"Elektronen vliegen constant rond in een materiaal, en ze hebben een bepaald momentum en energie, " zegt Raymond Ashoori, hoogleraar natuurkunde aan het MIT en een co-auteur van het papier. "Dit zijn fundamentele eigenschappen die ons kunnen vertellen wat voor soort elektrische apparaten we kunnen maken. Veel van de belangrijke elektronica in de wereld bevindt zich onder het oppervlak, in deze systemen die we tot nu toe niet diepgaand hebben kunnen onderzoeken. Dus we zijn erg enthousiast - de mogelijkheden hier zijn behoorlijk groot."

Ashoori's co-auteurs zijn postdoc Joonho Jang en promovendus Heun Mo Yoo, samen met Loren Pfeffer, Ken West, en Kirk Baldwin, van de Princeton-universiteit.

Foto's onder de oppervlakte

Daten, wetenschappers hebben alleen de energie en het momentum van elektronen aan het oppervlak van een materiaal kunnen meten. Om dit te doen, ze hebben hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie gebruikt, of ARPES, een standaardtechniek waarbij licht wordt gebruikt om elektronen te exciteren en ze uit het oppervlak van een materiaal te laten springen. De uitgeworpen elektronen worden opgevangen, en hun energie en momentum worden gemeten in een detector. Wetenschappers kunnen deze metingen vervolgens gebruiken om de energie en het momentum van elektronen in de rest van het materiaal te berekenen.

"[ARPES] is geweldig en heeft geweldig gewerkt voor oppervlakken, " zegt Ashoori. "Het probleem is, er is geen directe manier om deze bandstructuren in materialen te zien."

In aanvulling, ARPES kan niet worden gebruikt om elektronengedrag in isolatoren te visualiseren - materialen waarin elektrische stroom niet vrij kan stromen. ARPES werkt ook niet in een magnetisch veld, die de elektronische eigenschappen in een materiaal sterk kunnen veranderen.

De techniek die door het team van Ashoori is ontwikkeld, gaat verder waar ARPES ophoudt en stelt wetenschappers in staat om elektronenenergieën en momenta onder de oppervlakken van materialen te observeren, ook in isolatoren en onder een magnetisch veld.

"Deze elektronische systemen bestaan ​​van nature onder de oppervlakte, en we willen ze echt begrijpen, " zegt Ashoori. "Nu zijn we in staat om deze foto's te krijgen die nog nooit eerder zijn gemaakt."

Tunnelen door

De techniek van het team heet momentum en energie opgeloste tunneling spectroscopie, of MERTS, en is gebaseerd op kwantummechanische tunneling, een proces waarbij elektronen energetische barrières kunnen passeren door simpelweg aan de andere kant te verschijnen - een fenomeen dat nooit voorkomt in het macroscopische, klassieke wereld waarin we leven. Echter, op de kwantumschaal van individuele atomen en elektronen, bizarre effecten zoals tunneling kunnen af ​​en toe plaatsvinden.

"Het zou zijn alsof je op een fiets in een vallei zit, en als je niet kunt trappen, je zou gewoon heen en weer rollen. Je zou nooit over de heuvel naar de volgende vallei komen, " zegt Ashoori. "Maar met kwantummechanica, misschien eens op de paar duizend of miljoen keer, je zou gewoon aan de andere kant verschijnen. Dat gebeurt niet klassiek."

Ashoori en zijn collega's gebruikten tunneling om een ​​tweedimensionale laag galliumarsenide te onderzoeken. In plaats van licht te laten schijnen om elektronen uit een materiaal vrij te maken, zoals wetenschappers doen met ARPES, het team besloot tunneling te gebruiken om elektronen naar binnen te sturen.

Het team heeft een tweedimensionaal elektronensysteem opgezet dat bekend staat als een kwantumbron. Het systeem bestaat uit twee lagen galliumarsenide, gescheiden door een dunne barrière gemaakt van een ander materiaal, aluminium galliumarsenide. Gewoonlijk in een dergelijk systeem, elektronen in galliumarsenide worden afgestoten door aluminiumgalliumarsenide, en zou niet door de barrièrelaag gaan.

"Echter, in de kwantummechanica, zo nu en dan, er komt gewoon een elektron doorheen, "zegt Jang.

De onderzoekers pasten elektrische pulsen toe om elektronen uit de eerste laag galliumarsenide en in de tweede laag te werpen. Elke keer dat een pakket elektronen door de barrière tunnelde, het team was in staat om een ​​stroom te meten met behulp van externe elektroden. Ze stemden ook het momentum en de energie van de elektronen af ​​door een magnetisch veld loodrecht op de tunnelrichting aan te leggen. Ze redeneerden dat de elektronen die in staat waren door te tunnelen naar de tweede laag galliumarsenide, dit deden omdat hun momentum en energie samenviel met die van elektronische toestanden in die laag. Met andere woorden, het momentum en de energie van de elektronen die in galliumarsenide tunnelden, waren hetzelfde als die van de elektronen die zich in het materiaal bevonden.

Door elektronenpulsen af ​​te stemmen en die elektronen op te nemen die naar de andere kant gingen, de onderzoekers waren in staat om de energie en het momentum van elektronen in het materiaal in kaart te brengen. Ondanks dat het in een vaste stof bestaat en wordt omringd door atomen, deze elektronen kunnen zich soms net als vrije elektronen gedragen, zij het met een "effectieve massa" die kan verschillen van de vrije elektronenmassa. Dit is het geval voor elektronen in galliumarsenide, en de resulterende verdeling heeft de vorm van een parabool. Meting van deze parabool geeft een directe maat voor de effectieve massa van het elektron in het materiaal.

Exotisch, onzichtbare verschijnselen

Met hun techniek visualiseerden de onderzoekers het elektronengedrag in galliumarsenide onder verschillende omstandigheden. In verschillende experimentele runs, ze observeerden "knikken" in de resulterende parabool, die ze interpreteerden als trillingen in het materiaal.

"Gallium- en arseenatomen vibreren graag op bepaalde frequenties of energieën in dit materiaal, " zegt Ashoori. "Als we elektronen hebben rond die energieën, ze kunnen die trillingen opwekken. En dat konden we voor het eerst zien, in de kleine knikken die in het spectrum verschenen."

Ze hebben de experimenten ook onder een seconde uitgevoerd, loodrecht magnetisch veld en waren in staat om veranderingen in elektronengedrag bij gegeven veldsterktes waar te nemen.

"In een loodrecht veld, de parabolen of energieën worden discrete sprongen, zoals een magnetisch veld ervoor zorgt dat elektronen in cirkels rondgaan in dit blad, ' Zegt Ashoeri.

"Dit is nog nooit eerder gezien."

De onderzoekers vonden ook dat, onder bepaalde magnetische veldsterkten, de gewone parabool leek op twee gestapelde donuts.

"Het was echt een schok voor ons, ' Zegt Ashoeri.

Ze realiseerden zich dat de abnormale verdeling het gevolg was van elektronen die in wisselwerking stonden met trillende ionen in het materiaal.

"Onder bepaalde voorwaarden we ontdekten dat we elektronen en ionen zo sterk kunnen laten interageren, met dezelfde energie dat ze eruitzien als een soort samengestelde deeltjes:een deeltje plus een trilling samen, "zegt Jang.

Verder uitwerken, Ashoori legt uit dat "het is als een vliegtuig, met een bepaalde snelheid voortbewegen, dan de sonische barrière raken. Nu is er dit samengestelde ding van het vliegtuig en de sonische knal. En we kunnen dit soort sonische knal zien - we raken deze trillingsfrequentie, en daar gebeurt een schok."

Het team hoopt zijn techniek te gebruiken om nog meer exotische, onzichtbare verschijnselen onder het materiële oppervlak.

"Er wordt voorspeld dat elektronen grappige dingen doen, zoals clusteren in kleine bubbels of strepen, " zegt Ashoori. "Dit zijn dingen die we hopen te zien met onze tunneltechniek. En ik denk dat we de macht hebben om dat te doen."