Увидеть функцию

Три пика волновой функции энергии электронов квантовой точки

Науки зарождаются как абстракции. Додумавшимся до какой-то идеи людям зачастую не хватает слов естественного языка для ее описания, или в них начинают вкладывать совершенно иной смысл.

Известно, что следствием эйнштейновской общей теории относительности (ОТО) стало развитие – сначала теоретическое – понятия «гравитационные волны». В конце концов их удалось уловить с помощью обсерватории, измерившей интерференцию лучей лазера. Лазер – это световой усилитель (амплификатор), который выводит электроны при их накачке на новый, более высокий энергетический уровень. При «соскакивании» с этого уровня происходит испускание фотонов с одинаковой – когерентной – длиной волны и частоты. Этим лазерный луч отличается от обычного света с фотонами неупорядоченных волн и частот.

Отцы-основатели квантовой физики пытались понять, почему электрон при своем вращении не падает на ядро. Противоречие, возникшее с классической астрономией, было разрешено датским физиком-теоретиком Нильсом Бором. Он постулировал, что электрон не теряет энергии, находясь в исходном, или ground-состоянии. Для того чтобы заставить электрон испускать фотоны, надо насытить его энергией. Химикам, которые знают, что химические реакции невозможны без взаимодействия электронов, идея очень понравилась, и они заговорили об энергетическом барьере, мешающем протеканию реакций.

С этим был не согласен американский физик Георгий (Джордж) Гамов. Ему не давало покоя явление альфа-распада, при котором из ядер более тяжелых элементов вылетает ядро гелия – альфа-частица. Гамов объяснил это возможностью туннельного прохода под энергетическим барьером, удерживающим протоны и нейтроны в ядрах.

Много позже туннельным эффектом стали объяснять фотосинтез и ферментные реакции, а также принцип работы сканирующего туннельного микроскопа. Выяснилось, что приближение стилуса туннельного микроскопа к поверхности образца электроны начинают проходить по туннелю под барьером. Подъем «щупа» прекращает протекание тока.

Энергетические конусы гексагонального нитрида бора (hBN) в фазе (справа) и со сдвигом фазы слева (видна разница энергий, показанная справа разными цветами).  Иллюстрации Physorg

Состояния точки определяли энергетический спектр электронов при их взаимодействии друг с другом. Физики университета считают, что их фундаментальный подход обеспечил платформу для дальнейшего развития технологий обработки квантовой информации благодаря так называемым кубитам. Их отличительная особенность заключается в возможности наложения (суперпозиции) битов информации 0 и 1. Благодаря СТМ ученые впервые увидели три пика большой амплитуды, представляющие волновую функцию уловленных электронов.

Двойной слой графена в эксперименте был размещен на подложке из гексагонального нитрида бора (hBN), имеющего такую же, как и графен, ячеистую структуру. Она сходна с пчелиными сотами. Нитрид бора – многообещающий материал для воплощения в жизнь идей квантовой механики и технологий с использованием квантовых точек. Ученые уже использовали алмазы и арсенид галлия в качестве платформ создания квантовых точек и манипулирования ими, но двуслойный графен видится более предпочтительным.

Пока физики шаг за шагом ищут возможности, о которых до недавнего времени никто и подозревать не мог. Взять для примера те же полупроводники с их положительно заряженными «дырками» (Р) и негативными (N) электронами, о чем стали подозревать еще в конце 20-х годов ХХ века, но лишь в 1948 году удалось сделать первый полупроводниковый транзистор размером с ноготь мизинца. Сейчас на той же площади размещаются миллионы транзисторов. Можно только догадываться, что даст визуализация волновой функции, потому что недаром же говорят, что лучше один раз увидеть.