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Un team di fisici ha mappato come le energie degli elettroni variano da regione a regione in un particolare stato quantistico con una chiarezza senza precedenti. Questa comprensione rivela un meccanismo sottostante mediante il quale gli elettroni si influenzano a vicenda, chiamato "ibridazione quantistica, " che era stato invisibile negli esperimenti precedenti.
Le scoperte, il lavoro degli scienziati della New York University, il Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, Università di Rutger, e MIT, sono riportati sulla rivista Fisica della natura .
"Questo tipo di relazione è essenziale per comprendere un sistema di elettroni quantistici - e il fondamento di tutto il movimento - ma è stato spesso studiato da un punto di vista teorico e non pensato come osservabile attraverso gli esperimenti, " spiega Andrew Wray, un assistente professore presso il Dipartimento di Fisica della New York University e uno dei coautori dell'articolo. "Sorprendentemente, questo lavoro rivela una diversità di ambienti energetici all'interno dello stesso materiale, consentendo confronti che ci permettono di individuare come gli elettroni si spostano tra gli stati".
Gli scienziati hanno concentrato il loro lavoro sul seleniuro di bismuto, o Bi 2 Vedi 3 , un materiale che è stato oggetto di intense ricerche nell'ultimo decennio come base di tecnologie avanzate di informazione e calcolo quantistico. La ricerca nel 2008 e nel 2009 ha identificato il seleniuro di bismuto per ospitare un raro stato quantico "isolante topologico" che cambia il modo in cui gli elettroni sulla sua superficie interagiscono e memorizzano le informazioni.
Gli studi da allora hanno confermato una serie di idee teoricamente ispirate sugli elettroni di superficie degli isolanti topologici. Però, perché queste particelle sono sulla superficie di un materiale, sono esposti a fattori ambientali non presenti nella massa del materiale, facendo sì che si manifestino e si muovano in modi diversi da regione a regione.
Il conseguente divario di conoscenza, insieme a sfide simili per altre classi materiali, ha motivato gli scienziati a sviluppare tecniche per misurare gli elettroni con risoluzione spaziale su scala micron o nanometrica, consentendo ai ricercatori di esaminare l'interazione degli elettroni senza interferenze esterne.
Il Fisica della natura ricerca è uno dei primi studi ad utilizzare questa nuova generazione di strumenti sperimentali, chiamato "spettromicroscopia" e la prima indagine spettromicroscopica di Bi 2 Vedi 3 . Questa procedura può tenere traccia di come il movimento degli elettroni di superficie differisce da regione a regione all'interno di un materiale. Piuttosto che concentrarsi sull'attività media degli elettroni su una singola grande regione su una superficie del campione, gli scienziati hanno raccolto dati da quasi 1, 000 regioni più piccole.
Ampliando il terreno attraverso questo approccio, potevano osservare le firme dell'ibridazione quantistica nelle relazioni tra gli elettroni in movimento, come una repulsione tra stati elettronici che si avvicinano l'uno all'altro in energia. Le misurazioni di questo metodo hanno illuminato la variazione delle quasiparticelle elettroniche attraverso la superficie del materiale.
"Osservare come gli stati elettronici variano in tandem l'uno con l'altro sulla superficie del campione rivela relazioni condizionali tra diversi tipi di elettroni, ed è davvero un nuovo modo di studiare un materiale, " spiega Erica Kotta, uno studente laureato alla New York University e primo autore del documento. "I risultati forniscono nuove informazioni sulla fisica degli isolanti topologici fornendo la prima misurazione diretta dell'ibridazione quantistica tra gli elettroni vicino alla superficie".
