Als elektronen één voor één door een draaideur moeten

Het onderzoek is verschenen in Nature Physics.

Met behulp van een scanning tunneling microscoop om twee individuele energieniveaus op atomaire schaal te koppelen, laten ze zien dat er een kleine stroom tussen kan lopen, één elektron tegelijk. Als een van de componenten wordt verwijderd, is de stroom weg.

De wereld van de nanowetenschap is synoniem voor de zoektocht naar kwantumgrenzen. Dergelijke beperkingen manifesteren zich echter op veel verschillende niveaus. Een elektrische stroom die door een draad stroomt, is als water dat uit een kraan stroomt – er zijn gewoon zo veel elektronen dat ze zich gedragen als een homogeen medium. Maar de huidige stroom kan worden beperkt als zand dat in een zandloper naar beneden druppelt.

In een scanning tunneling microscoop wordt dit tot de atomaire limiet geduwd, waar een atomair scherpe punt een paar Ångströms boven een monsteroppervlak zweeft, zodat de elektronen door een vacuümbarrière (tunnelovergang) moeten "tunnelen" om van de punt te komen. aan de steekproef.

Het tunneleffect is een puur kwantummechanisch fenomeen dat het vermogen beschrijft om door een barrière te gaan zonder daadwerkelijk genoeg energie te hebben om deze te overwinnen – in grote mate analoog aan het graven van een tunnel door een berg. Afkoelen tot dichtbij het absolute nulpunt onthult de limiet voor ladingskwantisering, maar alleen indirect. Zelfs dan stroomt de stroom als auto’s op een snelweg met meerdere rijstroken, dus het is onmogelijk om te weten hoeveel en op welke rijstrook ze de barrière passeren. De volgende limiet is om slechts één elektron tegelijk toe te staan.

Om bij de analogieën te blijven, hebben onderzoekers in Stuttgart, Ulm en Madrid het tunnelknooppunt nu in een draaideur veranderd. Er mag slechts één elektron tegelijk door de draaideur gaan. Het blijft een tijdje in deze deur en de uitgang aan de andere kant. Om zo’n knooppunt te realiseren, komt het neer op een balans tussen vraag en aanbod. Elektronen bezetten energieniveaus en meestal zijn er veel van hen. "We waren in staat om een ​​enkel energieniveau te creëren binnen een kleine energiekloof, zowel op de punt als op het monster.", Zegt Haonan Huang, die werkt aan de mK-STM, een STM die werkt op 15 mK (-273.135 ° C) .Een enkel energieniveau binnen een energiekloof kan worden gecreëerd door een magnetische onzuiverheid op atomaire schaal gekoppeld aan een supergeleider. De uitdaging hier is om niet alleen dit ene energieniveau op het monster te produceren, maar ook op de punt.

Vanwege deze enkele energieniveaus moeten de elektronen die door de kruising tunnelen dit een voor een doen. Ondanks deze mars van de elektronen in één bestand, is het ladingstransport eigenlijk behoorlijk efficiënt, wat leidt tot verminderde dissipatie. "Dit unieke systeem, dat is teruggebracht tot zijn elementaire bestanddelen, stelt ons in staat om ons te concentreren op de meest fundamentele aspecten van het tunnelen. Dit is een ongekende kans", zegt Christian Ast, die de mK-STM-groep leidt. Het projecteren van dit concept op geïntegreerde schakelingen zou bijvoorbeeld kunnen leiden tot energiezuinigere elektronica.

Het succes van dit experiment is niet alleen te danken aan de lage temperaturen en de vakkundige voorbereiding van de tunnelovergang, maar ook aan de extreme stabiliteit van de omgeving waarin de mK-STM zich bevindt. De thuisbasis van de mK-STM is het Precisielaboratorium van het Max Planck Instituut voor Solid State Research in Stuttgart met akoestisch en elektromagnetisch geïsoleerde kasten met trillingsontkoppelde betonplaten.

Ondanks de uitgebreide experimentele opstelling, de ingewikkelde monstervoorbereiding samen met de extreme omgevingsomstandigheden, wordt de onderliggende theoretische verklaring verrassend eenvoudig. "Wat opmerkelijk is aan deze geminimaliseerde configuratie, is de bijna volledige isolatie van de omgeving, die wordt opgelegd door symmetrie en ons in staat stelt om het te beschrijven als een eenvoudig systeem met twee niveaus", zegt Joachim Ankerhold van de Universiteit van Ulm, wiens groep het theoretische fundament. Inderdaad, de bijna-isolatie maakt dit systeem ook interessant om het te gebruiken als een qubit, de elementaire bouwsteen van een kwantumcomputer, of om te interageren met exotische materie, zoals Majorana-gebonden toestanden.

Wat deze internationale samenwerking van wetenschappers dus heeft bereikt, is het ontdoen van het tunnelproces van alle onnodige functies en het synthetiseren van een tunnelstroom tussen afzonderlijke energieniveaus, waardoor het proces wordt teruggebracht tot het essentiële. Ze hebben het fundamentele mechanisme blootgelegd dat een pad biedt voor een nieuwe bottom-up benadering met een nieuwe reeks bouwstenen. "Ik ben best opgewonden om te zien dat het bereiken van een kwantumgrens geen einde maakt aan een lange reis, maar het begin markeert van een nieuwe", zegt Christian Ast, "hoe dichter we erop staan, hoe groter het plaatje."