@ 2017.03.21 , 21:00

反直觉:实验室观测到电子在原子层间的量子运动

一般来讲目标从一点移动到另一点,那么必定经过路径上的所有点。堪萨斯大学物理和天文学院的副教授Hui Zhao举例道:“比如某人从堪萨斯城沿70号州际公路开车前往托皮卡,那么可以说在某个时候他必定在劳伦斯,或者比如打篮球,当堪萨斯大学的Josh Jackson接到Frank Mason的空中传球然后扣篮时,那么球必定会在某个时刻进入篮圈。”但在量子世界中的电子却非如此。“电子可以出现在第一层,然后是第三层,无需经过第二层。”

Hui Zhao、堪萨斯大学研究生Frank Ceballos以及毕业生Samuel Lane最近在堪萨斯超快激光实验室观测到了这一违反直觉的电子运动。堪萨斯研究者说:“在一个具有三原子层的样本中,电子从最顶一层直接移动到了最底一层,没有被观测到出现在第二层中。”由于这种量子传输方式十分有效,Zhao认为可以据此人工制造名为“范德瓦尔斯材料”的新型材料,并将其用于太阳能电池和电子设备。该研究已被发布在纳米科学和纳米科技研究领域的顶级杂志纳米快讯上。

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激光束激发电子的示意图。

堪萨斯研究团队通过“透明胶带”方法制造了实验样本,利用胶带将晶体的单分子层剥离,通过光学显微镜进行验证。该样本包含MoS2、WS2及MoSe2层,每一层都比一纳米还薄,三层均为半导体材料并响应不同颜色的光。基于此,研究者使用100飞秒持续时间的激光脉冲激发一些顶层MoSe2的电子,令其能够自由移动。

Zhao说:“合理选择激光脉冲的颜色,使得只有顶层的电子才会被释放。然后使用其他对应于底层MoS2的颜色的激光脉冲检测那些电子是否出现在这一层。通过令第二束激光相对于第一束激光多走0.3mm,使其在第一束激光之后1皮秒到达样本。”

研究团队发现电子从顶层到达底层的平均用时约为1皮秒。Zhao说:“如果电子像常识那样是所谓的经典粒子,那么在这1皮秒的某个时刻里一定会出现在第二层”因此研究团队使用了另一种颜色的第三束激光对中间层进行监测,然而并未发现任何电子。该实验对反常识的电子移动方式的发现被内布拉斯加大学的理论科学家Ming-Gang Ju和Xiao Cheng Zeng的模拟实验进一步证实。Zhao认为,对电子在范德瓦尔斯力连接的原子层间的量子传输方式的验证对于新材料研究者来说十分重要。

他说:“材料被用于划分人类历史:石器时代,青铜时代和铁器时代,现代信息科技时代很大程度上基于硅材料,而这是几十年致力于发现新材料、发展制造高品质低成本材料的技术研究的成果。近几十年研究者学会了通过在纳米尺度上改变材料的尺寸和形状来调整材料的性质。大约几十年前,研究者发现了一种被称为二维材料的纳米材料,这种材料由单层原子或者分子组成,其中最广为人知的就是石墨烯这种单层碳原子材料。至今,大约已经发现了100种二维材料,比如三种我们的研究中使用的材料。由于可以通过范德瓦尔斯力将原子层堆叠到一起,据此将能研究出更多新的功能材料。我们团队的工作着重点是这种材料对于电子和光学应用必须是理想的:电子必须能够在原子层间有效移动。该研究显示电子能在原子层间进行量子传输,就像是在其他导体和半导体中。”

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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