Η ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί με διάφορους τρόπους: μέσω των ηλεκτρονίων, τα οποία αποτελούν τη βάση όλων των σύγχρονων ηλεκτρονικών συσκευών, αλλά και μέσω των ομοιοσωματιδίων, τα οποία προκύπτουν από την αλληλεπίδραση διαφορετικών σωματιδίων σε κβαντικό επίπεδο.
Ο χημικός του Πανεπιστημίου Κολούμπια, Μιλάν Ντελόρ, παρακολουθεί τη ροή αυτών των μορφών ενέργειας με ένα μοναδικό μικροσκόπιο που ονομάζεται stroboSCAT, το οποίο χρησιμοποιεί παλμούς φωτός για να καταγράφει την κίνηση των σωματιδίων και ομοιοσωματιδίων μέσα σε διάφορα υλικά.
Η νεότερη εκδοχή του οργάνου, που παρουσιάστηκε στο περιοδικό Nature Materials, μπορεί πλέον να διακρίνει μεμονωμένους κβαντικούς φορείς ενέργειας καθώς κινούνται μέσα σε υλικά για πρώτη φορά. Παράλληλα, παρέχει τη δυνατότητα παρατήρησης των αλληλεπιδράσεών τους με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια σε σύγκριση με τις υπάρχουσες τεχνικές απεικόνισης.
Η πρόκληση της απομόνωσης του σήματος από τον θόρυβο
Τα ηλεκτρόνια μπορούν να εντοπιστούν εύκολα μέσω μέτρησης της ηλεκτρικής αντιστάσεως. Ωστόσο, τέτοιες τεχνικές δεν μπορούν να καταγράψουν άμεσα ομοιοσωματίδια, όπως τα ηλεκτρικά ουδέτερα εξιτόνια ή τις διεγέρσεις σπιν. Ο Ντελόρ ανέπτυξε αρχικά το stroboSCAT το 2019 ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ.
Με την πάροδο των ετών, η ερευνητική του ομάδα στο Κολούμπια βελτίωσε τη χρονική ανάλυση της συσκευής στα φεμτοδευτερόλεπτα και τη χωρική ανάλυση στα ελάχιστα νανόμετρα, χρησιμοποιώντας την για την ανίχνευση ηλεκτρονίων, εξιτονίων, φωνονίων, μαγνονίων και άλλων σωματιδίων σε διάφορους ημιαγωγούς και μέταλλα.
Παρά τις υψηλές επιδόσεις του, το σύστημα προσέφερε ισχυρές παρατηρήσεις μόνο σε συνθήκες υψηλής πυκνότητας φορέων. Όταν οι φορείς αραιώνουν, χάνονται μέσα στον θόρυβο των μετρήσεων. Για να λυθεί το πρόβλημα αυτό, η ερευνητική ομάδα εφάρμοσε μια τεχνική εναλλαγής της έντασης των παλμών λέιζερ. Η συγκεκριμένη προσέγγιση επέτρεψε τον διαχωρισμό των μεμονωμένων κβαντικών καταστάσεων καθώς κινούνται στον πραγματικό χώρο.
Νέες δυνατότητες στην παρατήρηση κβαντικών φαινομένων
Στη νέα δημοσίευση, η ομάδα με επικεφαλής τον υποψήφιο διδάκτορα Τζαχανγκίρ Τουλιαγκανκοντζάεφ υπέδειξε σημαντικές δυνατότητες του αναβαθμισμένου μικροσκοπίου. Η σημαντικότερη επίτευξη είναι η απομόνωση μεμονωμένων ηλεκτρονίων που κινούνται σε έναν ημιαγωγό δύο διαστάσεων, επιτρέποντας τη συλλογή πληροφοριών για τη μεταφορά χωρίς παρεμβολές από αλληλεπιδράσεις πολλών σωμάτων.
Παράλληλα, κατέστη εφικτή η παρατήρηση αλληλεπιδράσεων μεταξύ πολλαπλών σωματιδίων με εξαιρετική ακρίβεια, όπως η παρακολούθηση καταστάσεων δύο ή τριών σωματιδίων, η χαρτογράφηση του τρόπου με τον οποίο τα κρυσταλλικά ελαττώματα διαμορφώνουν το ηλεκτρονικό περιβάλλον και η παρατήρηση μετατροπών φάσης σε στερεά υπό την επίδραση του φωτός.
Στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια, η ερευνητική ομάδα προγραμματίζει τη χρήση του stroboSCAT για τη μελέτη φαινομένων όπως ο σχηματισμός ζευγών Κούπερ που οδηγούν στη υπεραγωγιμότητα, καθώς και των συμπυκνωμάτων όπου πολλαπλά ομοιοσωματίδια συντονίζονται σε μια κοινή κβαντική κατάσταση. Τα σχέδια και το λογισμικό της συσκευής διατίθενται ήδη ελεύθερα σε άλλες ερευνητικές ομάδες.
