Ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο πέτυχε τη διεξαγωγή του πειράματος της διπλής σχισμής σε ατομική κλίμακα, χρησιμοποιώντας γειτονικά άτομα σιλικόνης ως «σχισμές» και δέσμη ηλεκτρονίων.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Naoya Shibata και του ερευνητή Koudai Tabata, ανοίγοντας νέους δρόμους για τη μελέτη της θερμικής αγωγιμότητας στους ημιαγωγούς.
Το πείραμα διπλής σχισμής σε κλίμακα picometer
Το κλασικό πείραμα του Thomas Young με το φως συρρικνώθηκε κατά επτά τάξεις μεγέθους. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα μικροσκόπιο σάρωσης διερχόμενης δέσμης ηλεκτρονίων (STEM) για να εστιάσουν μια λεπτή δέσμη ηλεκτρονίων ανάμεσα σε δύο γειτονικές στήλες ατόμων πυριτίου, οι οποίες απείχαν μεταξύ τους μόλις 136 picometers (pm).
Η αλληλεπίδραση της δέσμης με το ζεύγος των ατόμων δημιούργησε κροσσούς συμβολής (φωτεινές και σκοτεινές ζώνες), επιβεβαιώνοντας ότι το σύστημα συμπεριφέρεται ως ατομική διπλή σχισμή.
Ανάγνωση των ατομικών δονήσεων και των φονονίων
Η ανάλυση του προτύπου συμβολής επέτρεψε στους ερευνητές να προσδιορίσουν τον βαθμό στον οποίο τα γειτονικά άτομα δονούνται συντονισμένα προς την ίδια κατεύθυνση:
- Ανεξάρτητη δόνηση: Τα θεωρητικά μοντέλα ανεξάρτητης κίνησης των ατόμων προέβλεπαν την εξαφάνιση των κροσσών ανώτερης τάξης.
- Συντονισμένη δόνηση: Η συμπερίληψη της συλλογικής θερμικής δόνησης στα μοντέλα αναπαρήγαγε πιστά τα πειραματικά δεδομένα, εμφανίζοντας καθαρά τους κροσσούς δεύτερης και τρίτης τάξης.
Η τεχνική αυτή παρέχει μια νέα μέθοδο απευθείας μέτρησης των φονονίων (πλεγματικών δονήσεων), επιτρέποντας την αξιολόγηση της ισχύος των ατομικών δεσμών και της μεταφοράς θερμότητας σε επίπεδο μεμονωμένου δεσμού.
Εφαρμογές στη φαρμακευτική και τη βιομηχανία ημιαγωγών
Η διαχείριση της παραγόμενης θερμότητας αποτελεί κρίσιμη πρόκληση κατά τη σμίκρυνση των επεξεργαστών σε microchips και smartphones. Η δυνατότητα χαρτογράφησης των περιοχών όπου εγκλωβίζεται η θερμότητα σε ατομικό επίπεδο αναμένεται να συμβάλει στον σχεδιασμό αποτελεσματικότερων συστημάτων απαγωγής θερμότητας και στην ανάπτυξη νέων υλικών υψηλής θερμικής αγωγιμότητας.