Per la prima volta, i fisici hanno sviluppato una tecnica che può scrutare in profondità sotto la superficie di un materiale per identificare le energie e i momenti degli elettroni lì.

L'energia e la quantità di moto di questi elettroni, nota come "struttura a bande" di un materiale, " sono proprietà chiave che descrivono come gli elettroni si muovono attraverso un materiale. In definitiva, la struttura a bande determina le proprietà elettriche e ottiche di un materiale.

Il gruppo, al MIT e alla Princeton University, ha utilizzato la tecnica per sondare un foglio semiconduttore di arseniuro di gallio, e ha mappato l'energia e la quantità di moto degli elettroni in tutto il materiale. I risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Scienza .

Visualizzando la struttura a bande, non solo in superficie ma attraverso un materiale, gli scienziati potrebbero essere in grado di identificare meglio, materiali semiconduttori più veloci. Potrebbero anche essere in grado di osservare le strane interazioni degli elettroni che possono dare origine alla superconduttività all'interno di alcuni materiali esotici.

"Gli elettroni sfrecciano costantemente in un materiale, e hanno un certo slancio ed energia, "dice Raymond Ashoori, professore di fisica al MIT e coautore del documento. "Queste sono proprietà fondamentali che possono dirci che tipo di dispositivi elettrici possiamo realizzare. Molta dell'elettronica importante nel mondo esiste sotto la superficie, in questi sistemi che fino ad ora non siamo stati in grado di sondare in profondità. Quindi siamo molto eccitati:le possibilità qui sono piuttosto vaste".

I coautori di Ashoori sono il postdoc Joonho Jang e lo studente laureato Heun Mo Yoo, insieme a Loren Pfeffer, Ken West, e Kirk Baldwin, dell'Università di Princeton.

Immagini sotto la superficie

Ad oggi, gli scienziati sono stati solo in grado di misurare l'energia e la quantità di moto degli elettroni sulla superficie di un materiale. Fare così, hanno usato la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta, o ARPES, una tecnica standard che utilizza la luce per eccitare gli elettroni e farli saltare fuori dalla superficie di un materiale. Gli elettroni espulsi vengono catturati, e la loro energia e quantità di moto sono misurate in un rivelatore. Gli scienziati possono quindi utilizzare queste misurazioni per calcolare l'energia e la quantità di moto degli elettroni all'interno del resto del materiale.

"[ARPES] è meraviglioso e ha funzionato benissimo per le superfici, " dice Ashoori. "Il problema è, non c'è un modo diretto di vedere queste strutture a bande all'interno dei materiali."

Inoltre, ARPES non può essere utilizzato per visualizzare il comportamento degli elettroni negli isolanti, materiali all'interno dei quali la corrente elettrica non scorre liberamente. ARPES inoltre non funziona in un campo magnetico, che possono alterare notevolmente le proprietà elettroniche all'interno di un materiale.

La tecnica sviluppata dal team di Ashoori riprende da dove si interrompe ARPES e consente agli scienziati di osservare le energie e i momenti degli elettroni sotto le superfici dei materiali, anche negli isolanti e sotto un campo magnetico.

"Questi sistemi elettronici per loro natura esistono sotto la superficie, e vogliamo davvero capirli, " dice Ashoori. "Ora siamo in grado di ottenere queste immagini che non sono mai state create prima".

Tunneling attraverso

La tecnica del team si chiama spettroscopia di tunneling risolta in energia e quantità di moto, o MERTS, e si basa sul tunneling meccanico quantistico, un processo mediante il quale gli elettroni possono attraversare le barriere energetiche semplicemente apparendo dall'altra parte, un fenomeno che non si verifica mai nel macroscopico, mondo classico che abitiamo. Però, alla scala quantistica dei singoli atomi ed elettroni, occasionalmente possono verificarsi effetti bizzarri come il tunneling.

"Sarebbe come essere in bicicletta in una valle, e se non sai pedalare, andresti avanti e indietro. Non riusciresti mai a superare la collina fino alla prossima valle, " dice Ashoori. "Ma con la meccanica quantistica, forse una volta ogni poche migliaia o milioni di volte, appariresti dall'altra parte. Questo non accade classicamente".

Ashoori e i suoi colleghi hanno impiegato il tunneling per sondare un foglio bidimensionale di arseniuro di gallio. Invece di far brillare la luce per rilasciare elettroni da un materiale, come fanno gli scienziati con ARPES, il team ha deciso di utilizzare il tunneling per inviare elettroni.

Il team ha creato un sistema elettronico bidimensionale noto come pozzo quantico. Il sistema è costituito da due strati di arseniuro di gallio, separati da una sottile barriera di altro materiale, arseniuro di alluminio e gallio. Normalmente in un tale sistema, gli elettroni nell'arseniuro di gallio sono respinti dall'arseniuro di gallio e alluminio, e non passerebbe attraverso lo strato barriera.

"Però, nella meccanica quantistica, ogni tanto, un elettrone salta fuori, " dice Jang.

I ricercatori hanno applicato impulsi elettrici per espellere elettroni dal primo strato di arseniuro di gallio e nel secondo strato. Ogni volta che un pacchetto di elettroni passava attraverso la barriera, il team è stato in grado di misurare una corrente utilizzando elettrodi remoti. Hanno anche sintonizzato il momento e l'energia degli elettroni applicando un campo magnetico perpendicolare alla direzione del tunnel. Pensarono che quegli elettroni che erano in grado di passare attraverso il secondo strato di arseniuro di gallio lo facevano perché i loro momenti e le loro energie coincidevano con quelli degli stati elettronici in quello strato. In altre parole, il momento e l'energia degli elettroni che si incanalavano nell'arseniuro di gallio erano gli stessi degli elettroni che risiedevano all'interno del materiale.

Sintonizzando gli impulsi elettronici e registrando quegli elettroni che sono passati dall'altra parte, i ricercatori sono stati in grado di mappare l'energia e la quantità di moto degli elettroni all'interno del materiale. Nonostante esista in un solido e sia circondato da atomi, questi elettroni a volte possono comportarsi proprio come elettroni liberi, anche se con una "massa effettiva" che può essere diversa dalla massa dell'elettrone libero. Questo è il caso degli elettroni nell'arseniuro di gallio, e la distribuzione risultante ha la forma di una parabola. La misurazione di questa parabola fornisce una misura diretta della massa effettiva dell'elettrone nel materiale.

Esotico, fenomeni invisibili

I ricercatori hanno usato la loro tecnica per visualizzare il comportamento degli elettroni nell'arseniuro di gallio in varie condizioni. In diverse prove sperimentali, hanno osservato "stordimenti" nella parabola risultante, che hanno interpretato come vibrazioni all'interno del materiale.

"Agli atomi di gallio e arsenico piace vibrare a determinate frequenze o energie in questo materiale, " dice Ashoori. "Quando abbiamo elettroni intorno a quelle energie, possono eccitare quelle vibrazioni. E abbiamo potuto vederlo per la prima volta, nei piccoli nodi che apparivano nello spettro."

Hanno anche eseguito gli esperimenti in meno di un secondo, campo magnetico perpendicolare e sono stati in grado di osservare i cambiamenti nel comportamento degli elettroni a determinate intensità di campo.

"In un campo perpendicolare, le parabole o energie diventano salti discreti, come un campo magnetico fa girare gli elettroni in circolo all'interno di questo foglio, " dice Ashoori.

"Questo non è mai stato visto prima."

I ricercatori hanno anche scoperto che, a determinate intensità di campo magnetico, la normale parabola somigliava a due ciambelle impilate.

"È stato davvero uno shock per noi, " dice Ashoori.

Si sono resi conto che la distribuzione anormale era il risultato dell'interazione degli elettroni con gli ioni vibranti all'interno del materiale.

"In determinate condizioni, abbiamo scoperto che possiamo far interagire elettroni e ioni in modo così forte, con la stessa energia, che sembrano una sorta di particelle composite:una particella più una vibrazione insieme, " dice Jang.

Ulteriore elaborazione, Ashoori spiega che "è come un aereo, viaggiando a una certa velocità, poi colpendo la barriera sonora. Ora c'è questa cosa composita dell'aereo e del boom sonico. E possiamo vedere questo tipo di boom sonico:stiamo raggiungendo questa frequenza vibratoria, e c'è qualche scossone che sta accadendo lì."

Il team spera di usare la sua tecnica per esplorare ancora più esotici, fenomeni invisibili sotto la superficie del materiale.

"Si prevede che gli elettroni facciano cose divertenti come raggrupparsi in piccole bolle o strisce, " Ashoori dice. "Queste sono cose che speriamo di vedere con la nostra tecnica di tunneling. E penso che abbiamo il potere di farlo".