Wissenschaftler visualisieren Elektronenkristalle in einer Quantenüberlagerung

Princeton-Wissenschaftler verwenden innovative Techniken, um Elektronen in Graphen, einer einzelnen Atomschicht aus Kohlenstoffatomen, sichtbar zu machen. Sie fanden heraus, dass starke Wechselwirkungen zwischen Elektronen in hohen Magnetfeldern sie dazu bringen, ungewöhnliche kristallähnliche Strukturen zu bilden, ähnlich denen, die erstmals in den 1860er Jahren vom Chemiker August Kekulé für Benzolmoleküle erkannt wurden. Diese Kristalle weisen eine räumliche Periodizität auf, die Elektronen in einer Quantenüberlagerung entspricht. Die Experimente zeigen auch, dass die Kekulé-Quantenkristalle Defekte aufweisen, die kein Analogon zu denen gewöhnlicher Kristalle haben, die aus Atomen bestehen. Diese Ergebnisse geben Aufschluss über die komplexen Quantenphasen, die Elektronen aufgrund ihrer Wechselwirkung bilden können, die einer Vielzahl von Phänomenen in vielen Materialien zugrunde liegt.

Physiker lernten zu kontrollieren, wie Elektronen miteinander interagieren, indem sie ein starkes Magnetfeld anlegten und zuletzt mehrere Schichten von Graphen übereinander stapelten. Tatsächlich eröffnete die Entdeckung von Graphen im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts – eine Entdeckung, die 2010 zu einem Nobelpreis für Physik führte – eine neue Arena für die Erforschung der Physik von Elektronen, insbesondere für die Untersuchung, wie sich Elektronen kollektiv verhalten.

Jetzt haben Forscher von Princeton unter der Leitung von Ali Yazdani, Professor für Physik der Klasse von 1909 und Direktor des Zentrums für komplexe Materialien an der Princeton University, entdeckt, dass die starke Wechselwirkung zwischen Elektronen in Graphen sie dazu bringt, Kristallstrukturen mit komplexen Mustern zu bilden, die durch Quanten bestimmt werden Überlagerung – Elektronen, die sich gleichzeitig an mehreren Atomstellen aufhalten. Das kürzlich in Science veröffentlichte Experiment zeigt auch, dass dieser neuartige Quantenkristall exotische Verformungen aufweist, die der Verdrillung und Windung der Wellenfunktion der Elektronen entsprechen.

Graphen besteht aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem zweidimensionalen hexagonalen oder wabenartigen Gitter angeordnet sind. Es wird auf eine täuschend einfache, aber sorgfältige Weise hergestellt. Graphit, das gleiche Material, das in Bleistiften zu finden ist, wird nach und nach Streifen für Streifen abgeblättert, bis diese ein Atom dünne Kohlenstoffschicht erreicht ist.

„Frühere Studien haben gezeigt, dass Graphen neuartige elektrische Eigenschaften aufweist“, sagte Yazdani. „Aber nie zuvor konnten Forscher so tief und mit einer solchen räumlichen Auflösung in die Natur von Quantenzuständen blicken.“

Um dieses beispiellose Auflösungsniveau zu erreichen, verwendete die Gruppe von Yazdani ein Gerät namens Rastertunnelmikroskop (STM). Dieses Gerät beruht auf einem Phänomen namens „Quantentunneln“, bei dem Spannung verwendet wird, um Elektronen zwischen der scharfen Metallspitze des Mikroskops und der nur wenige Ångström entfernten Probe zu leiten. Das Mikroskop verwendet diesen Tunnelstrom anstelle von Licht, um die Welt der Elektronen auf atomarer Ebene zu betrachten. Die Mikroskope von Yazdani arbeiten in einem sehr hohen Vakuum, um die Probenoberfläche sauber zu halten, und bei sehr niedrigen Temperaturen, um hochauflösende Messungen zu ermöglichen, die nicht durch thermische Bewegung gestört werden.

Das Mikroskop ist auch in der Lage, Elektronen zu beobachten, wenn sie ihre niedrigsten Energiezustände erreichen, die von ihren Quanteneigenschaften dominiert werden.

In Anwesenheit eines Magnetfelds kann das Mikroskop verwendet werden, um die räumliche Struktur des quantisierten Energieniveaus zu bestimmen.

„Eine der besonderen Eigenschaften von Graphen ist sein Verhalten in einem Magnetfeld, wenn Elektronen gezwungen werden, das Magnetfeld kreisförmig zu umkreisen“, sagt Yazdani. „Dies quantisiert ihre Energien, was zu einer Quantisierung der elektrischen Eigenschaften von Graphen führt.“

Die Quantisierung von Energie bezieht sich auf die Erzeugung diskreter Energiewerte ohne Zwischenwerte, was ein Merkmal der Quantenphysik ist, im Gegensatz zur klassischen Physik, wo kontinuierliche Energiewerte zulässig sind.

Die Forscher konzentrierten ihre Aufmerksamkeit auf das quantisierte Niveau mit der niedrigsten Energie in Graphen, für das frühere Forschungen, die zuerst von Phuan Ong, Eugene Higgins Professor für Physik in Princeton, berichtet wurden, einige ungewöhnliche elektrische Eigenschaften offenbart hatten. Dieses Niveau dominiert die elektrischen Eigenschaften, wenn keine überschüssigen Ladungen hinzugefügt oder von Graphen entfernt werden – mit anderen Worten, wenn die Ladung neutral ist. Ong hatte gezeigt, dass Elektronen „einfrieren“, wenn die Ladung neutral ist, und die Graphenschicht beim Anlegen eines Magnetfelds als Isolator wirkt. Die Natur dieses gefrorenen Elektronenzustands in Graphen war seit Ongs erster Entdeckung fast ein Jahrzehnt lang ein Rätsel.

„Der isolierte Zustand, den wir gefunden haben, hat alle verwirrt und die damals vorherrschenden Theorien stark in Frage gestellt“, sagte Ong, der nicht an der aktuellen Forschung beteiligt war. „Es blieb 13 Jahre lang ein beständiges Rätsel, bis Yazdani die schönen Ergebnisse erzielte. Die neuen Ergebnisse lösen das Rätsel auf sehr aufregende Weise.“

Yazdani und sein Team verwendeten das Mikroskop, um die Wellenfunktion des niedrigsten quantisierten Energieniveaus in Gegenwart eines Magnetfelds abzubilden. Die Forscher fanden komplexe Muster von Elektronenwellen, wenn Graphen mit einem nahegelegenen elektrischen Gate in einen neutralen Zustand gebracht wurde.

In Metallen verteilen sich die Wellenfunktionen der Elektronen über den gesamten Kristall, während in einem normalen Isolator die Elektronen eingefroren werden, ohne dass die Kristallstruktur der Atomplätze besonders bevorzugt wird. Bei sehr niedrigen Feldern zeigten STM-Bilder Elektronenwellenfunktionen von Graphen, das eine der Untergitterstellen der anderen vorzog. Noch wichtiger ist, dass durch Erhöhen des Magnetfelds ein bemerkenswertes bindungsähnliches Muster beobachtet wird, das der Wellenfunktion von Elektronen entspricht, die sich in einer Quantenüberlagerung befinden. Dies bedeutet, dass ein Elektron gleichzeitig die beiden inäquivalenten Plätze besetzt.

Insbesondere entsprach das Bild der zuerst von Kekulé für Benzol erkannten bindungsähnlichen Struktur. Diese besteht aus abwechselnden Einfach- und Doppelbindungen. Bei einer Einfachbindung verbindet sich ein Elektron jedes Atoms mit seinem Nachbarelektron; an einer Doppelbindung sind zwei Elektronen von jedem Atom beteiligt.

Es wurde spekuliert, dass Elektronen solche Kekulé-Muster bilden könnten“, sagte Yazdani, „aber jetzt sehen wir es zum ersten Mal. Man könnte diesen Elektronenzustand nicht anders unterscheiden, wenn man ihn nicht abbildet.“

Die Forscher verwendeten dann das Mikroskop, um die Einheitlichkeit des Kekulé-Kristalls und seine Eigenschaften in der Nähe von Unvollkommenheiten oder Defekten im Graphen abzubilden. Eine bemerkenswerte Entdeckung, die sie machten, war die Nähe von Ladungsdefekten, wo sie feststellten, dass sich das Kekulé-Muster kontinuierlich in seinen Mustern um den Defekt auf der Graphenoberfläche entwickelt.

In Zusammenarbeit mit Michael Zaletel von der University of California, Berkeley, entwickelte das Team eine Methode, um aus den STM-Daten die mathematischen Eigenschaften der Quantenwellenfunktion von Elektronen zu extrahieren, sogenannte Phasenwinkel, die ihre Quantenüberlagerung beschreiben. Die Analyse ergab eine bemerkenswerte Windung eines dieser Phasenwinkel um den Defekt und korrelierte Änderungen des anderen Winkels.

„Als die Gruppe ihre Technik anwendete, um den Phasenwinkel über einem Defekt im Substrat zu messen, fanden sie einen ‚Wirbel‘ im Kekulé-Muster, der wie ein Hurrikan ist, um den sich der Phasenwinkel 12 Stunden lang windet [as on a clock]“, sagte Zaletel. „Wenn man Vorhersagen über solche Quantenobjekte im Nanomaßstab macht, denkt man selten, dass man das Vergnügen haben wird, wirklich ein Bild von ihnen zu ‚sehen‘, aber die Gruppe war in der Lage, genau das zu tun.“

Das Team glaubt, dass die Techniken, die sie entwickelt haben, um diesen ungewöhnlichen Quantenkristall aus Elektronen in einem starken Magnetfeld freizulegen, auch anderswo auf dem Gebiet Anwendung finden können. Andere zweidimensionale Materialien und ihr Stapel können ähnliche Quantenkristalle mit neuartigen Defekten aufweisen. Das Team beabsichtigt, seine Methodik auf eine breitere Klasse solcher Materialien anzuwenden.

Neben Yazdani und Zaletel beteiligten sich an der Studie die Autoren Xiaomeng Liu, Gelareh Farahi und Cheng-Li Chiu, alle an den Joseph Henry Laboratories and Department of Physics der Princeton University; Zlatko Papic, Fakultät für Physik und Astronomie, Universität Leeds, Vereinigtes Königreich; und Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute for Material Science in Japan.

Die Studie „Visualisierung von gebrochener Symmetrie und topologischen Defekten in einem Quanten-Hall-Ferromagneten“ von Xiaomeng Liu, Gelareh Farahi, Cheng-Li Chiu, Zlatko Papic, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Michael Zaletel und Ali Yazdani wurde am 2. Dezember veröffentlicht. 2021 in der Zeitschrift Wissenschaft.