آفرینش موج توسط الكترون‌ها

دوگانگی موج – ذره‌ای ماده از مفاهیم اساسی فیزیك جدید است. می‌توان از آزمایش‌های گوناگون پراش و پراكندگی، به سرشت موج‌گونه ذراتی كه آزادانه منتشر می‌شوند پی برد. در این روش‌ها، خصوصیات كوانتومی ماده، از تغییرات انرژی و اندازه حركت ذرات برهم‌كنش كننده، به دست می‌آید. اخیراً كرومی و همكارانش آزمایشی انجام داده‌اند و در آن با تفكیك فضایی الگوی امواج ایستاده، بر سطح تیز یك بلور مس، ماهیت موجی الكترون‌ها را مستقیماً مشاهده كرده‌اند. آن‌ها به كمك یك میكروسكوپ تونل زن روبشی، چگالی حالت‌های موضعی الكترون‌هایی را كه در یك لایه دو بعدی در سطح بلور به دام افتاده‌اند، تصویر كردند. مشاهده این پدیده‌های تداخلی صرفاً كوانتومی، این قبیل مفاهیم اثیری را عینی و واقعی می‌كند. می‌توان آزمایش‌های متنوعی را تصور كرد كه در آن‌ها از این قابلیت برای استخراج اطلاعات جدید و سودمند استفاده بشود.
میكروسكوپ‌های تونل زن روبشی (STM) از چندی پیش برای مطالعه رفتارهای الكترونی مشخص، از امواج چگالی بار گرفته تا گردابه‌های ابررسانشی، به كار برده شده‌اند. حالا می‌بینیم كه از STM می‌توان استفاده كرد و از الگوهای تداخلی كوانتومی الكترون‌هایی كه در یك صفحه دو بعدی حركت می‌كنند عكس گرفت. اگرچه گازهای الكترونی به اصطلاح دو بعدی معمولاً به بلورهای غیر آلی دو لایه‌ای، نمك‌های آلی انتقال بار، و ساختارهای نیمرسانا با لایه‌های مصنوعی وابسته‌‌اند ولی اخیراً معلوم شده است كه الكترون‌ها می‌توانند در ساختارهای به هم فشرده فلزات نجیب مانند مس، نقره و طلا، نیز به دام بیفتند. الكترون‌ها، وقتی به این طریق به دام می‌افتند، گاز الكترونی تقریباً ایده‌آلی را به وجود می‌آورند. علت اصلی محصور شدن الكترون‌ها در سطح سدهای پرانرژی است كه به طور طبیعی در جهت عمود بر سطح وجود دارند. در سمتی كه خلأ است، الكترون‌ها از طریق سد تابع كار (یونش) به دام می‌افتند و در سمتی كه ماده است الكترون‌ها با یك گاف نوار ممنوع در فلز مواجه‌اند. حالت‌های مربوط به سطح دو بعدی فلزات نجیب را كه به طور وسیع در آزمایش‌های گسیل نور بررسی شده‌اند باید از حالت‌های تام یابندهای آویزانی كه بر روی سطوح نیمرسانا دیده می‌شود، متمایز دانست. حالت‌های سطحی از مدت‌ها پیش به كمك STMها بررسی شده‌اند. در واقع یكی از نخستین مطالعات طیف نمودی فلزات با STM، روی طلا انجام گرفت و سیگنال طیفی مربوط به حالت سطحی طلا در آن كاملاً مشخص بود.
امكان تفكیك الگوهای تداخلی كوانتومی حالت مسطح راه تازه‌ای در رفع مشكلی قدیمی می‌گشاید و ابزار جدیدی برای بررسی نقیصه‌های سطوح فلزی به دست می‌دهد. چگالی الكترون‌های حالت سطحی، بدون وجود نقیصه‌ها، صاف و بدون ویژگی است – برخلاف امواج چگالی بار كه مستقل از نقیصه‌ها هم وجود دارند. ساختار در چگالی حالت‌های سطحی الكترون معلول پراكندگی الكترون‌های حالت سطح از ناكاملی‌های سطح است. این پراكندگی سبب می‌شود امواج الكترونی فرودی و بازتابیده به طور كوانتومی تداخل كنند و امواج ایستاده‌ای را در نزدیكی نقیصه‌ها پدید بیاورند. فیزیك این موضوع، شبیه به نوسان فرایدل است كه عبارت است از تغییرات چگالی بار كل در مجاورت یك نقیصه.
اما STM چگالی كل الكترون‌ها را اندازه نمی‌گیرد بلكه چگالی حالت‌های موضعی را در انرژی معلومی می‌سنجد كه با ولتاژ اعمال شده به سر STM اختیار شده است. بنابراین STM این قابلیت را دارد كه نوسان فرایدل را از طریق نگاشت فضایی چگالی الكترون پراكنده شده در انرژی‌های مختلف، رسم كند. جزئیات این نوسان‌ها تنها به تناوب شبكه مربوط نمی‌شود بلكه به طرز حساسی به انرژی مورد نظر، جرم مؤثر الكترون، و پتانسیل پراكندگی نقیصه نیز بستگی دارد. با اندازه‌گیری یك سری نوسان‌های فضایی (كه از لحاظ انرژی تفكیك شده‌اند) می‌توان در جهت عكس حركت كرد و اطلاعاتی درباره پتانسیل پراكندگی نقیصه و پارامترهای حالت – سطحی الكترون‌ها به دست آورد. البته در نظر گرفتن نقیصه‌هایی نظیر لبه‌های پله‌ای شكل برای تنظیم فرایندهایی مثل رشد لایه‌های نازك و كاتالیز روی سطح فلزی، اهمیت دارد.
كرومی و همكارانش در آزمایش خود از STMای با خلأ بسیار بالا و دمای كم (K4) استفاده كردند. اخیراً هازه‌گاوا و آوریس (از شركت آی‌بی‌ام) با استفاده از STM دمای اتاق، نوسان‌های مشابهی را در نزدیكی لبه تیز سطح طلا مشاهده كرده‌اند (نتایج هنوز منتشر نشده است). گرچه تفاوت‌هایی میان طلا و مس وجود دارد اما ظاهراً مكانیزم اصلی تداخل كوانتومی الكترون‌های حالت – سطحی هم در دو سطح به هم فشرده مس عمل می‌كنند و هم در طلا. با بررسی دقیق‌تر تفاوت‌هایی كه بین نتایج در دمای K4 و در دمای اتاق به دست آمده است شاید بتوان به درك بهتری از پراكندگی غیر الاستیك الكترون‌های حالت سطحی دست یافت.
شاید جالب‌ترین فرصتی كه این نتایج به دست می‌دهند این باشد كه بتوان پتانسیل برهم‌كنش الكترون‌های حالت سطحی و ماده جذب شده سطحی (مثل گاز مولكولی چسبیده به سطح كاتالیزور) را بررسی كرد. موضوع از دو جنبه شایان توجه است. اول اینكه از الگوی الكترون‌های حالت – سطحی می‌توان برای كاوش در ساختار الكترونی ماده جذب شده سطحی استفاده كرد. دوم اینكه اگر ماده جذب شده سطحی باعث پراكندگی الكترون‌های حالت سطحی شود می‌توان با نوك STM ماده جذب شده را مرتب كرد و محفظه‌های بسیار ریز الكترونی به هر شكل دلخواهی ایجاد كرد. چند سال است كه ساختار الكترونی محصور در سطوح مشترك نیمرساناها به روش‌های اپتیكی مطالعه شده‌اند. حالا این امكان پدید آمده است كه بتوان چگالی حالت‌های الكترونی‌های دوبعدی را كه به طور مصنوعی محصور شده‌اند مستقیماً بررسی و از لحاظ فضایی تفكیك كرد؛ این كار در وضع مطلوب شامل بررسی الكترون‌های دوبعدی در حضور میدان‌های مغناطیسی قوی هم می‌شود.