El enfoque inteligente de Twistronics ofrece nuevas vías para explorar los fenómenos cuánticos

QTM implica la «torsión» o rotación de dos capas atómicamente delgadas de material entre sí. En los últimos años, este desarrollo se ha convertido en una importante fuente de descubrimiento. Todo comenzó con el descubrimiento de que colocar dos capas de grafeno, láminas de carbono cristalino de un átomo de espesor, una encima de la otra en un ángulo de envoltura relativamente pequeño, da como resultado un «sándwich» con nuevas propiedades inesperadas. El ángulo de torsión resulta ser el factor más importante que controla el comportamiento de los electrones: cambiarlo solo una décima de grado puede convertir un material de un superconductor exótico a un aislante no convencional. Pero a pesar de su importancia, este parámetro es también el más difícil de controlar experimentalmente. En conjunto, envolver dos capas en un nuevo ángulo requiere construir un nuevo «sándwich» desde cero, lo cual es un proceso tedioso y que consume mucho tiempo.

«Nuestro impulso inicial fue resolver este problema mediante la construcción de una máquina que pudiera desviar continuamente dos materiales entre sí, produciendo fácilmente una variedad infinita de nuevos materiales», dice el líder del equipo, el profesor Shahal-Ilany, del Departamento de Física de la Materia Condensada de Weizmann. Sin embargo, al construir esta máquina, descubrimos que también podría convertirse en un microscopio extremadamente poderoso, capaz de ver ondas electrónicas cuánticas en formas que antes eran inimaginables. »

Crear una imagen cuantitativa

Las imágenes han jugado durante mucho tiempo un papel importante en el descubrimiento científico. Los microscopios y los telescopios ópticos proporcionan habitualmente imágenes que ayudan a los científicos a comprender mejor los sistemas biológicos y la astrofísica. Por otro lado, tomar fotografías de electrones dentro de materiales ha sido un desafío durante muchos años debido a sus pequeñas dimensiones. Esto se transformó hace unos 40 años con la invención del microscopio de efecto túnel, cuyos desarrolladores ganaron el Premio Nobel de Física en 1986. Este microscopio utiliza una aguja atómicamente afilada para escanear la superficie de un material, midiendo la corriente eléctrica y la construcción gradual. . Imagen de la distribución de electrones en la muestra.

«Desde esta invención se han desarrollado muchas sondas de exploración diferentes, cada una de las cuales mide una propiedad electrónica diferente, pero todas miden estas propiedades en un lugar a la vez. Por lo tanto, ven los electrones principalmente como partículas y solo pueden reconocer su onda indirectamente», explica el profesor Adi Stern. del Instituto Weizmann, coautor del estudio con otros tres físicos teóricos del mismo departamento: el profesor Pengai Yan, Yuval Orig y Erez Berg. “Resulta que el instrumento que creamos puede visualizar directamente las ondas electrónicas cuánticas, lo que nos permite para revelar las danzas cuánticas que realizan dentro de la materia».

Ubicar el electrón en varios lugares a la vez

«El truco para ver ondas cuánticas es detectar el mismo electrón en diferentes lugares al mismo tiempo», dice Alun Inbar, uno de los autores principales del artículo. “La medida es un concepto similar a la célebre experiencia a dos vientos, que a una edad útil se utiliza en un siglo para probar el estreno de los electrones en una máquina cuántica en una naturaleza ondulatoria”, dice el Dr. John Birkbeck, un autor primario. «La única diferencia es que realizamos un experimento de este tipo encima de nuestro microscopio de barrido».

Para lograr esto, los investigadores reemplazaron la punta atómicamente afilada de un microscopio de efecto túnel por uno que contenía una capa plana de material cuántico, como una sola capa de grafeno. Cuando esta capa entra en contacto con la superficie de la muestra de interés, forma una interfaz bidimensional a través de la cual los electrones pueden pasar a muchos lugares diferentes. Mecánicamente cuánticamente, hacen túneles en todos los lugares simultáneamente, y los eventos de túneles en diferentes lugares se superponen entre sí. Esta interferencia permite que un electrón haga un túnel solo si sus funciones de onda en cualquier lado de la interfaz son exactamente las mismas. «Para poder ver un electrón cuántico, tenemos que ser blandos», dice Ilani. «Si no hacemos la pregunta grosera, ‘¿Dónde estás?’, sino que le damos múltiples formas de pasar a través de nuestro detector sin que sepamos por dónde pasó realmente, permitimos que conserve su frágil naturaleza de onda».

giro y túnel

En general, las ondas de electrones se propagan en la punta y la muestra en diferentes direcciones y por lo tanto no coinciden. QTM utiliza su capacidad de deformación para encontrar el ángulo en el que se produce la coincidencia: al girar constantemente la punta en relación con la muestra, el instrumento también hace que las funciones de onda correspondientes se tuerzan entre sí. Una vez que estas funciones de onda coinciden en ambos lados de la interfaz, puede ocurrir la tunelización. Por lo tanto, la torsión permite que el QTM determine cómo la función de onda del electrón depende del momento, de la misma manera que las traslaciones laterales permiten que la punta mapee su dependencia de su posición. El simple hecho de conocer los ángulos en los que los electrones atraviesan la interfaz proporciona a los investigadores mucha información sobre el material que se está investigando. De esta forma, pueden aprender sobre la organización colectiva de los electrones en una muestra, su velocidad, distribución de energía, patrones de interferencia e incluso las interacciones de diferentes ondas entre sí.

Un nuevo desarrollo en materiales cuánticos

«Nuestro microscopio proporcionará a los científicos un nuevo tipo de ‘lente’ para observar y medir las propiedades de los materiales cuánticos», dice Jiewen Xiao, otro autor principal.

El equipo de Weizmann ya aplicó su microscopio para estudiar las propiedades de varios materiales cuánticos clave a temperatura ambiente y ahora se está preparando para realizar nuevos experimentos a temperaturas de unos pocos Kelvin, donde se sabe que ocurren algunos de los efectos mecánicos cuánticos más emocionantes. . .

Mirar profundamente el mundo cuántico puede ayudar a revelar verdades fundamentales sobre la naturaleza. En el futuro, esto también puede tener un impacto significativo en las tecnologías emergentes. QTM dará a los investigadores acceso a un conjunto sin precedentes de nuevas interfaces cuánticas, así como nuevos «ojos» para detectar los fenómenos cuánticos dentro de ellos.