Витрина DC: Мираж
- 1 year ago
- 0
- 0
Квантовый мираж — возникновение проекции электронной структуры , окружающей находящийся на проводящей поверхности атом, размещённый внутри квантового загона . Эффект является следствием когерентного отражения парциальных волн электронов, рассеянных реальным атомом, в результате которого на некотором расстоянии от атома возникает . Квантовый загон играет роль резонатора , а двумерные электронные состояния на поверхности металла образуют проекционную среду. В 2000 году квантовый мираж впервые наблюдался в экспериментах Гари Манохарана, Кристофера Луца и Дональда Эйглера в IBM Almaden Research Center .
Квантовый мираж — физическое явление, которое наблюдается в искусственных нанообъектах на поверхности металла, квантовых загонах , создаваемых с помощью технологии манипуляции отдельными атомами , использующей сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Явление заключается в проецировании локальной плотности поверхностных электронных состояний вблизи отдельного атома в другую точку на поверхности металла, на которой создан «загон». Мираж возникает вследствие когерентной перефокусировки парциальных электронных волн , которые рассеиваются единичным атомом и атомами, формирующими «загон» .
В эксперименте квантовые загоны в форме эллипса состояли из атомов кобальта , помещённых на чистую поверхность с кристаллографической ориентацией (111) меди (Рис.). Например, у одного из «загонов» большая полуось эллипса составляла 71.3 Å , его эксцентриситет был равен 1/2, а расстояние между соседними атомами было около 2.55Å при температуре 4К. Такой «загон» содержал всего 86 электронов. Поверхность Cu(111) была выбрана в качестве основы квантового загона, поскольку вблизи неё существуют поверхностные состояния двумерного электронного газа , рассеяние которых на адсорбированных атомах кобальта может быть исследовано с помощью СТМ .
В фокус эллипса помещался единичный атом Co , обладающий магнитным моментом. Если иридиевая игла СТМ была расположена непосредственно над атомом кобальта, то наблюдался резонанс Кондо , проявлявшийся в появлении минимума на зависимости производной туннельного тока по напряжению . В то же время, проявление эффекта Кондо наблюдалось и тогда, когда контакт СТМ находился над вторым фокусом, в котором магнитного атома не было. Обнаруженное квантовое явление подобно фокусировке световых лучей в фокусе отражающего эллипса, если источник света расположен в другом фокусе .
Эллиптическая форма квантового загона — не единственная возможность наблюдения квантового миража. Например, квантовый мираж наблюдался в «загоне», имеющем форму «стадиона» (две полуокружности, соединённые прямыми линиями) .
Магнитный момент атомов квантового загона не является обязательным условием наблюдения миража. Так, квантовый мираж наблюдался и при замене магнитного атома железа на немагнитный атом серебра .
Строгая теория квантового миража использует формализм функций Грина для уравнения Шрёдингера . Для объяснения этого явления можно использовать качественные рассуждения .
Кондактанс (производная туннельного тока по напряжению ), измеряемый с помощью СТМ, пропорционален локальной плотности электронных состояний в точке поверхности , находящейся непосредственно под иглой СТМ ( — энергия Ферми ) ,
где — собственные волновые функции двумерных электронов с учётом рассеяния на атомах «загона» и дополнительном атоме внутри него, — полный набор квантовых чисел , — собственные значения энергии. Если расстояние между квантовыми уровнями больше чем их уширение вследствие неупругих процессов рассеяния, только одно квантовое состояние, лежащее вблизи уровня Ферми , будет ответственным за возникновение квантового миража. Далее задача может быть разделена на две части: 1) вычисление волновой функции квазисвязанных состояний в квантовом загоне, , и 2) нахождение добавки, связанной с дополнительным магнитным атомом внутри загона. Если напряжение смещения на игле СТМ , изменение кондактанса при помещении в «загон» дополнительного магнитного атома в точку описывается формулой :
где — постоянная Больцмана , — температура Кондо . Из приведённой формулы следует, что:
Построение СТМ изображения требует нахождения функций . В случае эллиптического «загона» уравнение Шрёдингера можно решить путём перехода к эллиптическим координатам , и его решение выразить через функции Матьё . В модели с бесконечным потенциальным барьером на границе «загона» волновая функция удовлетворяет нулевому граничному условию для координаты, перпендикулярной эллипсу, ограничивающему «загон» и условию периодичности для второй координаты, линии уровня которой являются эллипсами. Построенные на основании такой модели СТМ изображения хорошо согласуются с экспериментом .
Волновая функция эллиптического «загона» при энергии, равной имеет максимумы вблизи, но не в самих фокусах. Этот результат согласуется с экспериментальным наблюдением, что снижает важность роли, которую играют фокусы .