Een team van natuurkundigen heeft met ongekende helderheid in kaart gebracht hoe elektronenenergieën van regio tot regio variëren in een bepaalde kwantumtoestand. Dit begrip onthult een onderliggend mechanisme waardoor elektronen elkaar beïnvloeden, kwantum "hybridisatie, " die bij eerdere experimenten onzichtbaar was geweest.

De bevindingen, het werk van wetenschappers van de New York University, het Lawrence Berkeley National Laboratory, Rutgers Universiteit, en MIT, worden gerapporteerd in het journaal Natuurfysica .

"Dit soort relatie is essentieel voor het begrijpen van een kwantumelektronensysteem - en de basis van alle beweging - maar was vaak bestudeerd vanuit een theoretisch oogpunt en niet als waarneembaar door experimenten, " legt Andrew Wray uit, een assistent-professor aan de afdeling Natuurkunde van de NYU en een van de co-auteurs van het artikel. "Opmerkelijk, dit werk onthult een diversiteit aan energetische omgevingen binnen hetzelfde materiaal, waardoor vergelijkingen mogelijk zijn waarmee we kunnen zien hoe elektronen tussen toestanden verschuiven."

De wetenschappers richtten hun werk op bismutselenide, of Bi ₂ Se ₃ , een materiaal dat het afgelopen decennium intensief is onderzocht als de basis van geavanceerde informatie- en kwantumcomputertechnologieën. Onderzoek in 2008 en 2009 identificeerde bismutselenide als gastheer voor een zeldzame "topologische isolator" kwantumtoestand die de manier verandert waarop elektronen aan het oppervlak interageren met en informatie opslaan.

Studies sindsdien hebben een aantal theoretisch geïnspireerde ideeën over topologische isolator oppervlakte-elektronen bevestigd. Echter, omdat deze deeltjes zich op het oppervlak van een materiaal bevinden, ze worden blootgesteld aan omgevingsfactoren die niet in het grootste deel van het materiaal aanwezig zijn, waardoor ze zich op verschillende manieren manifesteren en verplaatsen van regio tot regio.

De resulterende kenniskloof, samen met soortgelijke uitdagingen voor andere materiële klassen, heeft wetenschappers gemotiveerd om technieken te ontwikkelen voor het meten van elektronen met ruimtelijke resolutie op micron- of nanometerschaal, waardoor onderzoekers elektroneninteractie kunnen onderzoeken zonder externe interferentie.

De Natuurfysica onderzoek is een van de eerste studies die deze nieuwe generatie experimentele instrumenten gebruikt, "spectromicroscopie" genoemd - en het eerste spectromicroscopie-onderzoek van Bi ₂ Se ₃ . Deze procedure kan volgen hoe de beweging van oppervlakte-elektronen verschilt van regio tot regio binnen een materiaal. In plaats van te focussen op de gemiddelde elektronenactiviteit over een enkel groot gebied op een monsteroppervlak, de wetenschappers verzamelden gegevens van bijna 1, 000 kleinere regio's.

Door op deze manier het terrein te verbreden, ze konden handtekeningen van kwantumhybridisatie waarnemen in de relaties tussen bewegende elektronen, zoals een afstoting tussen elektronische toestanden die in energie dicht bij elkaar komen. Metingen van deze methode verlichtten de variatie van elektronische quasideeltjes over het materiaaloppervlak.

"Kijkend naar hoe de elektronische toestanden in tandem met elkaar variëren over het monsteroppervlak, onthult voorwaardelijke relaties tussen verschillende soorten elektronen, en het is echt een nieuwe manier om een ​​materiaal te bestuderen, " legt Erica Kotta uit, een NYU-afgestudeerde student en eerste auteur op het papier. "De resultaten bieden nieuw inzicht in de fysica van topologische isolatoren door de eerste directe meting van kwantumhybridisatie tussen elektronen nabij het oppervlak."