一种新技术，用于映射电子的能量和动量

麻省理工学院的科学家已经找到了一种可视化材料表面下方的电子行为的方法。该团队的技术基于量子机械隧道，通过简单地出现在另一侧时，电子可以穿越能量障碍的过程。在此图像中，研究人员以各种密度显示测量的隧道光谱，红色测量为红色。

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。

该团队在麻省理工学院和普林斯顿大学使用该技术来探测砷化镓半导体片，并在整个材料中绘制了电子的能量和动量。结果今天在COSSCOCLS中发表。

通过可视化频带结构，不仅在表面而且在整个材料中，科学家可能能够识别更好，更快的半导体材料。它们还可以观察到奇怪的电子相互作用，这可以在某些异种材料内产生超导性。

“电子在材料中不断地倾斜，它们具有一定的动力和能量，”麻省理工学院的物理学教授和本文共同作者的物理学教授。“这些是基本属性，可以告诉我们我们可以制作什么样的电气设备。在这些系统中，世界上存在很多重要的电子产品，在这些系统中，我们直到现在能够深入探测。所以我们很兴奋 - 这里的可能性非常茫茫。“

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。

该团队建立了一款称为量子的二维电子系统。该系统由两层砷化镓组成，通过由另一种材料制成的薄壁，铝镓砷化镓分开。然后，研究人员将电脉冲施加以从砷化镓的第一层和进入第二层喷射电子。他们推出了能够隧道到第二层砷化镓隧道的那些电子是因为它们的动量和能量与该层中的电子状态恰逢其一致。

表面下方的图片

迄今为止，科学家们只能在材料表面测量电子的能量和动量。为此，它们已经使用了角度解析的光曝光光谱或ARPE，这是一种用光来激发电子的标准技术，使它们从材料的表面跳出来。被捕获的电子电子，并且它们的能量和动量在检测器中测量。然后，科学家可以使用这些测量来计算其余材料内的电子的能量和动量。

“[ARPES]很棒，对表面有好处，”Ashoori说。“问题是，没有直接观察材料内的这些频带结构。”

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表面下方，我们真的想了解它们，”Ashoori说。“现在我们能够获得以前从未创建过的这些图片。”

研究人员还发现，在某些磁场强度下，普通抛物线类似于两个堆叠的甜甜圈。他们意识到异常分布是电子与材料内的振动离子相互作用的结果。

隧道穿过

该团队的技术被称为势头和能量分辨隧道光谱，或者是基于量子机械隧道，通过简单地出现在另一侧，电子可以穿越能量障碍的过程 - 一种从未发生在宏观，古典的现象我们居住的世界。然而，在磷酸异常和电子的量子量表中，偶尔可能会发生隧道等奇异效应。

“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和他的同事使用隧道探测砷化镓二维砷化镓。由于科学家与ARPES做的，而不是闪耀光，而不是闪光将电子从材料中释放出来，而是决定使用隧道发送电子。

该团队建立了一款称为量子的二维电子系统。该系统由两层砷化镓组成，通过由另一种材料制成的薄壁，铝镓砷化镓分开。通常在这样的系统中，砷化镓中的电子被铝镓砷化镓排斥，并且不会通过阻挡层。

“然而，在量子力学中，每次偶尔一次，刚刚过度渗透，”jang说。

研究人员将电脉冲施加以从砷化镓的第一层和进入第二层喷射电子。每次通过屏障隧道隧穿的零件，团队就能使用远程电极测量电流。它们还通过施加垂直于隧道方向的磁场调节电子的动量和能量。他们推出了能够隧道到第二层砷化镓隧道的那些电子是因为它们的动量和能量与该层中的电子状态恰逢其一致。换句话说，电子隧穿入砷化镓的电位和能量与驻留在材料内的电子的电量相同。

通过调谐电子脉冲并记录到另一边的那些电子，研究人员能够映射材料内的电子能量和动量。尽管存在于固体上并且被原子包围，但是这些电子有时可以类似于自由电子，尽管具有与自由电子质量不同的“有效质量”。这是砷化镓中的电子的情况，所得到的分布具有抛物线的形状。该抛物线的测量可直接测量材料中电子的有效质量。

异国情调，看不见的现象

研究人员使用它们的技术在各种条件下使砷化镓中的电子行为可视化。在几种实验运行中，它们在所产生的抛物线中观察到“扭结”，它们被解释为材料内的振动。

“镓和砷原子类似于在这种材料中的某些频率或能量上振动，”Ashoori说。“当我们在这些能量周围有电子时，他们可以激发那些振动。我们可以在频谱中出现的小扭结中看到。“

它们还在第二，垂直磁场下运行实验，并且能够观察给定场强的电子行为的变化。

“在垂直场中，抛物线或能量成为离散的跳跃，因为磁场使电子在本纸内部的圆圈周围，”Ashoori说。

“这从未见过以前。”

研究人员还发现，在某些磁场强度下，普通抛物线类似于两个堆叠的甜甜圈。

“对我们来说真的很震惊，”阿什奥里说。

他们意识到异常分布是电子与材料内的振动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。“

该团队希望利用其技术探索更具异国情调，看不见的现象。

“预计电子将像集群一样做有趣的东西，以小气泡或条纹，”Ashoori说。“这些是我们希望通过我们的隧道技术来看待的事情。我认为我们有权力要这样做。“

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电子系统完全动量和能源解决的光谱函数”2017年11月17日科学：卷。 358，第6365号，第901-906页; DOI：10.1126 / science.aam7073