一种绘制电子能量和动量的新技术

首次,物理学家开发了一种能够在材料表面下方对同步的技术来识别那里的电子的能量和动量。

这些电子的能量和动量称为材料的“带结构”,是描述电子如何通过材料移动的关键特性。最终,频带结构确定材料的电气和光学性质。

这个团队在麻省理工学院和普林斯顿大学他利用该技术探测了砷化镓的半导体片,并绘制出了贯穿该材料的电子的能量和动量。研究结果发表在今天的杂志上科学

通过可视化能带结构,不仅是在表面,而是整个材料,科学家可能能够识别更好、更快的半导体材料。他们也可以观察到奇怪的电子相互作用,这些相互作用可以在某些奇异的材料中产生超导性。

麻省理工学院的物理学教授、论文的合著者Raymond Ashoori说:“电子在物质中不断地快速运动,它们有一定的动量和能量。”“这些基本性质可以告诉我们可以制造什么样的电子设备。世界上很多重要的电子设备都存在于地表之下,在这些系统中,直到现在我们还无法深入探索。所以我们非常兴奋,这里的可能性是非常巨大的。”

Ashoori的共同作者是Postdoc Joonho Jang和研究生Heun Mo Yoo以及普林斯顿大学的Loren Pfeffer,Ken West和Kirk Ba​​ldwin。

表面下方的图片

到目前为止,科学家们只能测量材料表面电子的能量和动量。为此,他们使用了角度分辨光电发射光谱学(ARPES),这是一种标准技术,利用光激发电子,使它们从材料表面跳出来。被喷射的电子被捕获,它们的能量和动量在探测器中被测量。然后,科学家可以利用这些测量来计算剩余材料中电子的能量和动量。

Ashoori说:“ARPES非常棒,对于表面效果非常好。“问题是,没有直接的方法来观察材料中的这些能带结构。”

此外,ARPE不能用于可视化绝缘体中的电子行为 - 电流在电流不会自由流动的材料。ARPES还在磁场中不起作用,这可以大大改变材料内的电子特性。

Ashoori的团队开发的技术占据了Arpes离开的地方,使科学家能够观察材料的表面下方的电子能量和Momenta,包括绝缘体和磁场下。

“这些电子系统本质上存在于地表之下,我们真的想了解它们,”Ashoori说。“现在我们能够得到这些从未被创造出来的照片。”

隧道通过

The team’s technique is called momentum and energy resolved tunneling spectroscopy, or MERTS, and is based on quantum mechanical tunneling, a process by which electrons can traverse energetic barriers by simply appearing on the other side — a phenomenon that never occurs in the macroscopic, classical world which we inhabit. However, at the quantum scale of individual atoms and electrons, bizarre effects such as tunneling can occasionally take place.

“就像你在山谷中的一辆自行车一样,如果你不能踏板,你就会来回滚动。Ashoori说,你永远不会克服下一个山谷到下一个山谷。“但是对于量子力学,也许每一千万或百万次,你就会出现在另一边。这不会是经典的。“

Ashoori和他的同事们利用隧穿技术来探测砷化镓的二维薄片。与科学家们使用ARPES时使用的发光材料释放电子不同,该团队决定使用隧穿技术将电子送入材料。

该团队建立了一个二维电子系统,称为量子阱。该系统由两层砷化镓组成,由另一种材料砷化镓铝制成的薄阻挡层隔开。通常在这样的系统中,砷化镓中的电子被砷化镓铝排斥,不能通过势垒层。

“然而,在量子力学中,每次偶尔一次,刚刚过度渗透,”jang说。

研究人员应用电脉冲将电子从砷化镓的第一层喷射到第二层。每当有一束电子穿过屏障时,研究小组就能够使用远程电极测量电流。他们还通过施加垂直于隧穿方向的磁场来调整电子的动量和能量。他们推断,那些能够通过隧道进入砷化镓第二层的电子之所以能够这样做,是因为它们的动量和能量与该层中电子态的动量和能量一致。换句话说,隧穿进砷化镓的电子的动量和能量与驻留在材料内的电子的动量和能量相同。

通过调整电子脉冲并记录那些穿过另一边的电子,研究人员能够绘制出材料中电子的能量和动量。尽管存在于固体中并被原子包围,这些电子有时表现得就像自由电子,尽管其“有效质量”可能与自由电子质量不同。这是砷化镓中电子的情况,其结果分布具有抛物线的形状。对这条抛物线的测量可以直接测量出材料中电子的有效质量。

异国情调,看不见的现象

研究人员使用他们的技术来可视化各种条件下砷化镓中的电子行为。在几次实验中,他们观察到结果抛物线中的“扭结”,并将其解释为材料内部的振动。

“镓和砷原子喜欢在这种材料中以特定的频率或能量振动,”Ashoori说。“当我们在这些能量附近有电子时,它们可以激发这些振动。我们可以第一次看到,在光谱中出现的小弯曲。”

他们还在另一个垂直磁场下进行了实验,能够观察到给定磁场强度下电子行为的变化。

Ashoori说:“在垂直场中,当磁场使电子在薄片内绕圈运动时,抛物线或能量变成离散的跳跃。”

“这是以前从未见过的。”

研究人员还发现,在一定的磁场强度下,普通的抛物线就像两个堆叠的甜甜圈。

“这对我们来说真的很震惊,”Ashoori说。

他们意识到这种异常分布是电子与材料内振动的离子相互作用的结果。

“在某些情况下,我们发现我们可以使电子和离子相互作用,具有相同的能量,它们看起来像某种复合粒子:颗粒加上振动,”jang说。

进一步详细说明,Ashoori解释说“它就像一架飞机,以一定的速度行进,然后击中声波屏障。现在这是飞机和声波悬臂的这种复合物。我们可以看到这种Sonic Boom - 我们正在击中这种振动频率,并且在那里发生了一些颠簸。“

该团队希望利用这项技术来探索材料表面下更奇异、看不见的现象。

“电子被预测会做一些有趣的事情,比如聚集成小气泡或条纹,”Ashoori说。“这些都是我们希望通过挖掘技术看到的。我认为我们有能力做到这一点。”

戈登和贝蒂摩尔基金会的支持部分支持这项研究和美国能源部科学办公室的BES计划。

出版物:Joonho Jang,等,“2D电子系统的全势头和能源解决的光谱函数”2017年11月17日科学:Vol。358,第6365号,第901-906页;DOI:10.1126 / science.AAM7073

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