Gezond verstand zou kunnen dicteren dat voor een object om van het ene punt naar het andere te gaan, het moet door alle punten op het pad gaan.

"Stel je iemand voor die van Kansas City naar Topeka rijdt op de I-70 - het is veilig om te zeggen dat hij op een bepaald moment tijdens de reis in Lawrence moet zijn, " zei Hui Zhao, universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde aan de Universiteit van Kansas. "Of bij basketbal, wanneer Josh Jackson van de KU een alley-oop pass krijgt van Frank Mason III en de bal van boven naar onder de rand dunkt, de bal moet op een bepaald moment in de ring liggen."

Niet zo voor elektronen in de kwantumwereld, die zich voor het grootste deel niet aan zulke gezond verstand regels houden.

"Elektronen kunnen op de eerste verdieping verschijnen, dan de derde verdieping, zonder ooit op de tweede verdieping te zijn geweest, ' zei Zhao.

Zhao, samen met KU natuurkunde student Frank Ceballos en Self Graduate Fellow Samuel Lane, heeft zojuist de contra-intuïtieve beweging van elektronen waargenomen tijdens experimenten in het Ultrafast Laser Lab van de KU.

"In een monster gemaakt van drie atomaire lagen, elektronen in de bovenste laag gaan naar de onderste laag, zonder ooit gespot te worden in de middelste laag, ’ aldus de KU-onderzoeker.

Omdat dit soort "kwantum" transport zeer efficiënt is, Zhao zei dat het een sleutelrol kan spelen in een nieuw type door de mens gemaakt materiaal, "van der Waals-materialen" genaamd, dat ooit in zonnecellen en elektronica zou kunnen worden gebruikt.

Hun bevindingen zijn zojuist gepubliceerd in Nano-letters , een vooraanstaand tijdschrift over nanowetenschap en nanotechnologie.

Het KU-onderzoeksteam heeft het monster gefabriceerd met behulp van de "Scotch tape"-methode, waar lagen van één molecuul met tape van een kristal worden getild, vervolgens geverifieerd onder een optische microscoop. Het monster bevat lagen MoS2, WS2 en MoSe ₂ — elke laag dunner dan een nanometer. Alle drie zijn halfgeleidermaterialen en reageren op licht met verschillende kleuren. Gebaseerd op dat, de KU-onderzoekers gebruikten een laserpuls van 100 femtoseconden om een ​​deel van de elektronen in de bovenste MoSe2-laag vrij te maken, zodat ze vrij konden bewegen.

"De kleur van de laserpuls is zo gekozen dat alleen elektronen in de bovenste laag kunnen worden vrijgemaakt, "Zei Zhao. "Vervolgens gebruikten we een andere laserpuls met de 'juiste' kleur voor de onderste MoS2-laag om het verschijnen van deze elektronen in die laag te detecteren. De tweede puls was met opzet zo opgesteld dat deze na de eerste puls ongeveer 1 picoseconde bij het monster arriveerde, door hem een ​​afstand van 0,3 mm langer te laten afleggen dan de eerste."

Het team ontdekte dat elektronen gemiddeld in ongeveer één picoseconde van de bovenste naar de onderste laag bewegen.

"Als elektronen dingen waren die volgden op 'gezond verstand, ' zoals zogenaamde klassieke deeltjes, ze zouden op een bepaald moment in deze ene picoseconde in de middelste laag zijn, ' zei Zhao.

De onderzoekers gebruikten een derde puls met een andere kleur om de middelste laag te volgen en vonden geen elektronen. De experimentele ontdekking van het contra-intuïtieve transport van elektronen in de stapel atomaire lagen werd verder bevestigd door simulaties uitgevoerd door theoretici Ming-Gang Ju en Xiao Cheng Zeng aan de Universiteit van Nebraska-Lincoln, die co-auteur van het artikel was. Volgens Zhao, de verificatie van kwantumtransport van elektronen tussen atomaire lagen verbonden door van der Waals-kracht is bemoedigend nieuws voor onderzoekers die nieuwe materialen ontwikkelen.

"Het stenen tijdperk, Bronstijd en IJzertijd - materialen zijn het bepalende element van de menselijke geschiedenis, " zei hij. "Het moderne informatietechnologietijdperk is grotendeels gebaseerd op silicium, dat is het resultaat van vele decennia van materiaalonderzoek gericht op het vinden van nieuwe materialen en het ontwikkelen van betere technieken om ze met hoge kwaliteit en lage kosten te maken."

Zhao zei dat onderzoekers de afgelopen decennia hebben geleerd om eigenschappen van materialen af ​​te stemmen door hun grootte en vorm op nanometerschaal te veranderen. Een nieuwe vorm van nanomaterialen, bekend als tweedimensionale materialen, werd ongeveer tien jaar geleden ontdekt. "Ze worden gevormd door enkele lagen atomen of moleculen, " zei hij. "Het meest bekende voorbeeld is grafeen, een enkele laag koolstofatomen. Tot dusver, er zijn ongeveer 100 soorten tweedimensionale materialen ontdekt, zoals de drie die in dit onderzoek zijn gebruikt. Omdat deze atomaire lagen kunnen worden gestapeld met behulp van van der Waals-kracht, ze openden een geheel nieuwe route om nieuwe functionele materialen te maken."

De onderzoeker zei dat het werk van zijn team gericht was op een belangrijke vereiste om dergelijke materialen ideaal te maken voor elektronische en optische toepassingen:elektronen moeten efficiënt tussen deze atomaire lagen kunnen bewegen.

"Deze studie toonde aan dat elektronen op een kwantummanier tussen deze lagen kunnen worden overgedragen, net als bij andere geleiders en halfgeleiders, " hij zei.