专题文章

电子波的操纵

可以使用扫描隧道显微镜观察和修改与电子相关的波。

理查德·伯恩特 对于科学N°290
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当J. J. Thomson在1890年代末“发现”电子时,量子力学仍然有待发明。然后自然而然地将电子视为一个微小的粒子。但是,很快就知道该粒子具有波动特性,这一想法由路易斯·德布罗意(Louis de Broglie)于1923年首次提出。如果它打击了许多物理学家,那么这个概念必不可少,因为它可以解释原子,分子和固体的特性。但是,直到1927年才对此有了确切的证明。同时进行的两个实验表明,电子具有波的特征:它们会干涉!一切都发生了,好像反射波干扰了入射波。

这两个波的振幅相等,这取决于它们是处于“相位”(最大值一致)还是处于“相位相反”(最大值和最小值一致),从而彼此抵消或增强。如今,电子波的存在已不再受到质疑。每个量子粒子的波粒二象性已成为量子力学的中心支柱。电子的波特性更加明显,因为可以使用隧道显微镜直接对其进行观察和测试(请参见 分子操纵 弗朗西斯·莫雷斯科(Francesca Moresco)和郝浩(Hao Tang)第98页)。

多亏了Gerd Binnig和Heinrich Rohrer的开创性工作,他们于1986年获得了诺贝尔物理学奖,打开了通往分子世界的窗口。从现在开始,物理学家产生沉积在铜或银表面上的原子和分子的图像,其精度为0.1皮米,即十分之一米的十分之一,甚至是原子直径的千分之一!实际上,这种分辨率是如此之大,以至于物理学家不仅可以研究原子,而且可以研究原子周围的“电子波”及其产生的干扰。

Ondes 电子s

什么是“电子波”?通常将电子同化为“电粒”,将原子同化为轨道系统,原子核的电荷通过电子电荷平衡。分子是通过一对或多对电子的“汇集”连接的原子的缔合;类似地,电流被认为是电流的流动。但是,电子与粒子一样是波。例如,让我们看一下电子在质子周围“引力”时的样子,从而与质子形成氢原子。量子计算表明,当它处于最低能量状态时,它与质子等距的所有点的存在概率都是相同的。因此,电子看起来更像是球形的固定片,完全包裹了质子,而不是材料粒子:它是电子波。质子附近没有一个,它的强度在距原子核一定距离处最大,并且呈指数下降。

当两个氢原子相互靠近时,围绕它们的轨道(电子波)开始重叠:它们相互干扰。当两个轨道的相互作用的强度足够大时,即当两个原子之间的距离足够小时,形成了能量稍低的新波态。该分子轨道具有波的所有特征。

当存在的原子数量非常多时,原子轨道重叠形成较低能量的结果轨道的这种趋势仍然存在。正如我们对于氢所见,当两个原子彼此靠近时,它们的相互作用会稍微改变轨道。当大量原子相互作用时(例如在固体中),能级发生改变,使得它们重叠并且固体原子的外电子有时会占据d状态的几乎连续带。 '能源。

从波的观点来看,每个电子的电子波重叠以形成分布在整个固体中的巨大电子波。当固体是金属时,该电子波的结合能很弱,因此电子不与原子核结合:它们被“离域”。最小的能量输入就足以使它们从一个原子移动到另一个原子。这些自由电子(也称为传导电子)通常被描述为形成``电子海''。该图像表示与传导电子集相关的所得电子波的扩展程度。分布在整个金属中,其表面也“齐平”。

如今,隧道显微镜已经足够精确以区分电子海``表面''上的微小小波。这些是什么小波?金属的导带仅充满电子,直到某个能级被称为“费米能级”。当接近金属表面时,扫描隧道显微镜的尖端会测量费米能级的电子密度。因此,显微镜的尖端揭示了电子密度,甚至揭示了由电子波在此处形成的干涉条纹。隧道显微镜还可以显示不同“深度”处干涉图样的结构。为了观察它们,尖端和表面之间的电压是变化的,并且取决于该电压,出现了不同的电子层。

另外,如果这些显微镜揭示了电子的“行为”,那么它们还可以观察到“电子的缺失”,也称为“空穴”。由于显微镜尖端和样品之间的张力可以变化,因此它也可以反转。然后从尖端到样品建立电子流,不再像正常情况那样在相反的方向上建立电子流。在这种情况下,显微镜不再测量空间中的电子密度,而是测量样品接受电子的能力。将电子从尖端转移到表面的效果与将空穴从表面转移到尖端的效果相同。

银色楼梯

为了研究电波及其干扰,物理学家使用隧道显微镜进行了许多实验。我们将描述其中的一些。物理学家从研究显微镜尖端下方的铜或银表面上的电子波开始。为了使电子干扰可见,将这些金属表面冷却到非常低的温度(几开氏温度的数量级),从而减少了干扰现象的热搅动。

因此,我们研究了银晶体的表面 (见图) 1). 原子平面的不规则堆积揭示了“台阶”。每个步骤都由大约四分之一纳米高的原子层组成。当电子在完全周期性的原子晶格上方时,它们形成的整体电子波是平面的:电子密度在那里均匀并且没有观察到波结构。另一方面,边缘干扰了这些平面波,并且电子波增加了

牙齿和那些由牙脊扩散的牙齿相互干扰。确实,每个步骤上都有干涉条纹。这些对应于电子密度的连续峰值,其强度随着接近边缘而增加。此外,在某些地方还可以看到一系列环或同心条纹。这些环类似于掉入水中的石头所产生的环。为什么这些圆形干涉会出现在台阶的中间,即在晶体呈周期性的区域?

实际上,这些环表示晶体表面上存在“缺陷”,例如,沉积在表面上的“寄生”原子。.

对这些“台阶”的观察提供了关于表面电子的性质,特别是关于它们的传播,关于晶体缺陷的性质以及关于驻波的寿命的更多信息。根据它们的能量水平,银晶体海中的电子会持续10到100飞秒(百万分之一秒的百万分之一)。如果表面电子的行为像电子海一样,则该液体是量子的,并具有某些令人惊讶的特性:它远不冻结于绝对零附近,而是由携带大量动能的电子组成。

直接观察电子表面波不需要特殊处理。相反,为了捕获电子干扰的其他方面,物理学家已经建造了“操纵”表面电子波的仪器。这些仪器是“共振箱”,其中捕获了一些电子,以研究其相关波产生的干涉图。因此,证实了表面电子波的行为与所有其他类型的波一样良好。

这些“谐振器”由沉积在金属表面上的原子组成。确实,隧道显微镜的开创者很快发现他们的仪器也用于移动原子。当它足够接近原子时,显微镜的尖端会在其上施加吸引力,从而可以操纵原子,即其受控位移。一旦原子“粘附”到显微镜的尖端,它就会被移入研究区域。重复此序列,我们将组装具有几个原子的纳米结构。该技术适用于原子以及分子 (见图) 2). 对于表面电子,被置换的原子是能够散射电子波的缺陷:出现干涉图样。

因此,我们建立了由锰原子组成的谐振器 (见图) 3)。我们首先将构成谐振器的结构可视化,然后使用扫描隧道显微镜观察与各种能量状态相对应的电子波(我们改变极化电压)。当能量低时,电子集中在网络的中心。当它们达到更高的能量状态时,电子会沿着矩形的长度分布。然后,我们观察到两个不同的最大值。当我们进一步增加能量时,我们看到最大值沿着矩形的宽度出现,而较低能量的最大值沿着长度出现。因此,随着相应状态的能量高,由电子波绘制的图案变得更加复杂。

量子海市rage楼

这些图像首次可视化了量子力学中很久以来已知的量子效应:量化锁定在腔中的粒子的能量。在此,空腔的作用是由二维谐振器的原子矩形来实现的。当被锁定时,电子处于不同的能量状态。与这些状态中的每个状态相关联的电子波绘制了特定的图案。就像谐振器中的电子波一样,轨道的能量越高,形状越复杂。我们可以将共振器中的波与在鼓表面传播的波进行比较。它们根据其能量采用不同的传播模式。就像在锰原子的笼子里一样,它们的波长是硒鼓尺寸的整数倍。观察到,当将原子引入锰谐振器中时原子轨道发生变化,这表明这种谐振器对与原子或分子相关的电子波的性质起作用。

因此,原子或分子轨道可以改变。让我们通过对谐振器进行整形来进一步推动这一想法,使其通过与引入其中的原子相关的波传输信息。 C. P. Hari,D。Eigler,美国研究中心 ibm 在加利福尼亚州圣何塞附近的阿尔玛德(Almade),制造了一个椭圆形钴原子共振器,并将钴原子放在该椭圆的一个焦点上。在低温下,钴原子的外轨道具有特殊性:近藤效应(其他元素具有相似的性质)。在椭圆形的反射腔中,从其焦点之一发出的任何波(例如,光线)会聚在第二个焦点处。加州物理学家已经看到与近藤电波效应相关的相同行为 (见图) 4).

他们在一个椭圆形谐振器的焦点之一处沉积了一个钴原子。他们调整了显微镜的极化电压,以揭示与钴原子相关的电子波。它的存在通过原子(真正地)在焦点处的“发光”点得以体现,但是我们也观察到了从钴原子到另一个焦点的电子波的签名。钴原子“幻影”出现在图像中!因此,从放置在焦点之一中的钴原子辐射出来的电子波的行为与其他类型的波在椭圆形腔中的行为相同:它们在谐振器的“壁”上反射并会聚在中心。相反的焦点(可以在电子,视觉甚至声波上观察到这种效果:在拱顶为椭圆形的地铁站中,当我们站在拱顶的一个焦点上时,我们可以清晰地听到(如果他们在对面的家庭中),人们在另一个平台上窃窃私语)。为了证实这一现象,研究人员在将钴原子放置在椭圆的短轴上(没有焦点的地方)之后重复了该实验。没有更多的虚拟原子出现。

我们刚刚介绍的结果证明了隧道显微镜对于电子波研究的兴趣。通过建模的进展,现在可以对纳米世界中的对象进行操作,从而可以更好地预测结果。

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