Свет в конце квантового тоннеля

Справа над голубой графеновой полоской «нависает» черный стило СТМ, на кончик которого направлен световой импульс. В результате генерируется возбуждение атома-дефекта. Иллюстрация Physorg

В XIX веке Томас Юнг, глазной врач из Лондона, попытался доказать, что Исаак Ньютон был не прав, считая свет потоком частиц-корпускул. Для этого он смоделировал ситуацию возникновения волн на воде, в которую одновременно бросили два камня. Юнг пропустил свет сквозь дощечку с двумя узкими отверстиями, получив позади нее чередование светлых и темных полос. Затемнение Юнг объяснил «вмешательством» (интерференцией) световых волн, что, по его мнению, доказывало волновую природу света.

Идея врача была подхвачена физиками, которые с тех пор изобрели много интерферометров, в том числе и лазерный, с помощью которого зарегистрировали гравитационные волны. Споры о природе света разрешила концепция волнового пакета, сочетающего в себе свойства частиц и волн.

В Беркли сверхчувствительные интерферометры были использованы для точнейшего измерения гравитационного поля Земли. Выяснилось, что отдельные атомы «падают» в нем со скоростью около 30 нанометров/сек (разброс составил +/–5,6 нм). Для более точных измерений ученые будут и дальше снижать температуру и искать способы подавления шумов.

Соотечественники из Мичиганского университета решали те же проблемы, повышая чувствительность и прецизионность своего сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Он представляет собой остро заточенное – до одного атома на конце – стило, приближение которого к поверхности приводит к прохождению туннельного тока (под энергетическим барьером). Так стали получать поверхностный абрис молекул, что для своего времени было большим достижением.

Но сегодня этого уже недостаточно, тем более при изучении электронных гетероструктур. Поэтому еще три года назад к кончику стило добавили световую волну, вернее, ее волновую функцию, определяемую как «вектор состояния». Сегодня физики уже увереннее говорят, что волновая функция не усредненное состояние, а высоко локализованное. Вплоть до того, что не «ухватывается» стилом СТМ.

Для решения проблемы было предложено направить на конец «иглы» световую волну с пикосекундным (10–12 с) пространственно-временным разрешением. В эксперименте авторы использовали СТМ-спектроскопию для получения томографии графеновой нанополоски шириной… семь атомов. Она была помещена на золотую подложку.

В своей статье в журнале Nature Communications авторы утверждали, что СТМ, ведомый световой волной, позволит максимально быстро проводить измерения динамики волновых функций и наноструктур с атомной точностью. А это также сулит дальнейшее развитие оптоэлектроники.

Подход был использован в Мичиганском университете, физики которого заузили графеновую полоску до четырех атомов, что повысило прецизионность исследований и надежность измерений. Авторы работы использовали арсенид галлия (GaAs), разместив его образец на графене. Электрическая проводимость графена даже выше, чем у золота. В качестве допанта, атомного дефекта, был взят чистый кремний, отдельные атомы которого представляют собой потенциальные энергетические ямы (pothole). В них «проваливаются» электроны. Всего этого стило СТМ просто не «видит», поэтому и был использован световой импульс с терагерцовой частотой.

Авторы пишут в журнале Nature Photonics, что приближение кончика устройства, на который направлен лазерный луч с частотой триллионы импульсов в секунду, делает его «зрячим». Результатом такого подхода, о котором ученые мечтали последние 40 лет после создания СТМ, стали «звуки» кремниевых звоночков, свидетельствующие о нахождении одиночного атома в данном месте и в данный момент. Смещение стиля сразу же эти звоночки гасило.

Исследователи надеются, что их результаты будут вскоре подтверждены группами, которые также сочетают электротехнику с оптоэлектроникой. Их коллеги работают с другими материалами. И это обещает практические приложения помимо обнаружения атомных дефектов.

Можно напомнить, что вскоре после создания первого СТМ специалисты компании IBM выложили с помощью сканирующего туннельного микроскопа ее название из атомов ксенона. В последующие годы делались многочисленные попытки использовать СТМ для размещения и перемещения атомов, но затем энтузиазм несколько угас. Это было связано с отсутствием моноатомных 2D-подложек и недостаточной точностью размещения атомов в нужных структурах. Теперь, похоже, свет действительно забрезжил в конце квантового тоннеля.