Natuurkundigen van de Universiteit van Regensburg hebben de verschuiving van een gekwantiseerd elektronisch energieniveau gechoreografeerd met atomaire oscillaties sneller dan een biljoenste van een seconde.

Door een bal in de lucht te gooien, kan men willekeurige energie op de bal overbrengen, zodat deze hoger of lager vliegt. Een van de eigenaardigheden van de kwantumfysica is dat deeltjes, bijvoorbeeld elektronen, vaak alleen gekwantiseerde energiewaarden kunnen aannemen – alsof de bal tussen specifieke hoogten springt, zoals treden van een ladder, in plaats van continu te vliegen.

Zowel Qubits en kwantumcomputers als lichtgevende kwantumdots (Nobelprijs 2023) maken gebruik van dit principe. Elektronische energieniveaus kunnen echter worden verschoven door botsingen met andere elektronen of atomen. Processen in de kwantumwereld vinden meestal plaats op atomaire schaal en zijn bovendien ongelooflijk snel.

Met behulp van een nieuw type ultrasnelle microscoop is een team uit Regensburg er nu in geslaagd om met atomaire resolutie en op ultrasnelle tijdschalen direct waar te nemen hoe de energie van een enkel elektron wordt afgestemd door de trillingen van de omringende atomen. Opmerkelijk genoeg konden zij dit proces ook gericht sturen. Dergelijke ontdekkingen kunnen cruciaal zijn voor de ontwikkeling van supersnelle kwantumtechnologieën.

De natuurkundigen gebruikten een atomair dun materiaal om te onderzoeken hoe een discreet energieniveau verandert wanneer deze atoomlaag op en neer beweegt als het membraan van een trommel. Ze hebben dit waargenomen bij een vacature:de leegte die achterblijft als een individueel atoom wordt verwijderd.

Dergelijke atomair dunne tweedimensionale kristallen, bekend om hun veelzijdige, aanpasbare elektronische eigenschappen, zijn bijzonder interessant voor toekomstige nano-elektronica. Vacatures in een kristal zijn veelbelovende kandidaten voor qubits, de elementaire informatiedragers van kwantumcomputers, omdat ze net als atomen discrete elektronische energieniveaus hebben.

De onderzoekers ontdekten dat ze een discreet energieniveau van het defect kunnen veranderen door een trommelachtige trilling van het atomair dunne membraan te veroorzaken:de atomaire beweging van de omringende atomen verschuift en controleert zo het energieniveau van de vacature. Deze resultaten zijn gepubliceerd in Nature Photonics .

Om deze baanbrekende ontdekking te doen, moesten de onderzoekers verschillende hindernissen overwinnen. Een atomaire resolutie van 1 Ångström is vereist om atomair gelokaliseerde energieniveaus en hun dynamiek te observeren. Bovendien gaat de beweging in de nanowereld extreem snel.

"Om bij te houden hoe een energieniveau verandert, is het noodzakelijk om stroboscopische momentopnamen van het energieniveau te maken, waarbij elke momentopname wordt vastgelegd in minder dan een biljoenste van een seconde, sneller dan picoseconden", legt eerste auteur Carmen Roelcke uit.

Al deze uitdagingen werden aangegaan door het team rond Carmen Roelcke, Lukas Kastner en Yaroslav Gerasimenko in een uitgebreide methode die gebruik maakt van de energie en ruimtelijke resolutie van een scanning tunneling microscoop. Tegelijkertijd maakt het gebruik van op maat gemaakte ultrakorte laserpulsen het mogelijk om de extreem snelle dynamiek in slow motion vast te leggen. De gecombineerde expertise in de groepen van Jascha Repp en Rupert Huber creëerde de beslissende synergie voor de vereiste ultrasnelle spectroscopie op atomaire schaal.

"Met onze nieuwe aanpak zijn we in staat om de structurele beweging van het atomaire trommelmembraan en de verschuiving van het gelokaliseerde energieniveau in slow motion te ontcijferen", zegt Yaroslav Gerasimenko. Berekeningen uit de eerste principes van Maximilian Graml en Jan Wilhelm leggen op overtuigende wijze uit hoe de atomen in de atomair dunne laag bewegen tijdens de oscillatie en hoe dit de discrete energieniveaus kan beïnvloeden.

Het werk van het Regensburg-team luidt een nieuw tijdperk in in de studie van de dynamiek van atomair gelokaliseerde energieniveaus en hun interactie met de omgeving. Deze ontdekking maakt de lokale controle van discrete energieniveaus op de meest directe manier mogelijk. De beweging van individuele atomen zou bijvoorbeeld de energiestructuur van een materiaal kunnen veranderen en zo nieuwe functionaliteiten kunnen creëren of specifiek de eigenschappen van lichtgevende halfgeleiders en moleculen kunnen veranderen.

Gebaseerd op de ongekende combinatie van extreme ruimte-, tijd- en energieresolutie, ligt een dieper begrip van fundamentele processen zoals de lokale interactie van elektronen met roostertrillingen binnen handbereik. Bovendien zou deze aanpak kunnen helpen bij het ontrafelen van de geheimen van sleutelprocessen achter faseovergangen, zoals supergeleiding bij hoge temperaturen, die nog niet begrepen zijn.

Meer informatie: Carmen Roelcke et al., Ultrasnelle scanning-tunnelingspectroscopie op atomaire schaal van een enkele vacature in een monolaagkristal. Natuurfotonica . DOI:10.1038/s41566-024-01390-6, www.nature.com/articles/s41566-024-01390-6

Journaalinformatie: Natuurfotonica

Aangeboden door Universiteit van Regensburg