Forskere kombinerer det ultrahurtige med den ultra-lille til banebrydende mikroskopi ved terahertz-frekvenser

For første gang nogensinde, forskere har taget billeder af terahertz elektrondynamik af en halvlederoverflade på atomskalaen. Det vellykkede eksperiment indikerer en lys fremtid for det nye og hurtigt voksende underfelt kaldet terahertz scanning tunneling microscopy (THz-STM), pioner ved University of Alberta i Canada. THz-STM giver forskere mulighed for at se elektronadfærd på ekstremt hurtige tidsskalaer og undersøge, hvordan denne adfærd ændres mellem forskellige atomer.

"Vi kan i det væsentlige zoome ind for at observere meget hurtige processer med atompræcision og over superhurtige tidsskalaer, "siger Vedran Jelic, Ph.d. -studerende ved University of Alberta og hovedforfatter på det nye studie. "THz-STM giver os et nyt vindue ind i nanoworld, giver os mulighed for at udforske ultrahurtige processer på atomskalaen. Vi taler et picosekund, eller en milliont milliontedel af et sekund. Det er noget, der aldrig er blevet gjort før. "

Jelic og hans samarbejdspartnere brugte deres scanningstunnelmikroskop (STM) til at fange billeder af siliciumatomer ved at raster scanne en meget skarp spids hen over overfladen og registrere spidshøjden, når den følger overfladens atomiske korrugeringer. Selvom den originale STM kan måle og manipulere enkeltatomer - for hvilke dens skabere tjente en nobelpris i 1986 - gør den det ved hjælp af kablet elektronik og er i sidste ende begrænset i hastighed og dermed tidsopløsning.

Moderne lasere producerer meget korte lysimpulser, der kan måle en lang række ultrahurtige processer, men typisk over længdeskalaer begrænset af lysets bølgelængde ved hundredvis af nanometer. Der er gjort en stor indsats for at overvinde udfordringerne ved at kombinere ultrahurtige lasere med ultra-lille mikroskopi. University of Alberta forskere tog fat på disse udfordringer ved at arbejde i et unikt terahertz frekvensområde i det elektromagnetiske spektrum, der muliggør trådløs implementering. Normalt har STM brug for en påført spænding for at fungere, men Jelic og hans samarbejdspartnere er i stand til at drive deres mikroskop ved hjælp af lyspulser i stedet. Disse pulser forekommer over virkelig hurtige tidsskalaer, hvilket betyder, at mikroskopet er i stand til at se virkelig hurtige begivenheder.

Ved at inkorporere THz-STM i et ultrahøjt vakuumkammer, fri for ekstern forurening eller vibration, de er i stand til præcist at placere deres spids og opretholde en helt ren overflade, mens de afbilder ultrahurtig dynamik af atomer på overflader. Deres næste trin er at samarbejde med andre materialeforskere og forestille sig en række nye overflader på nanoskalaen, der en dag kan revolutionere hastigheden og effektiviteten af ​​den nuværende teknologi, lige fra solceller til computerbehandling.

"Terahertz scanning af tunnelmikroskopi åbner døren til et uudforsket regime inden for fysik, "slutter Jelic, der studerer i Ultrafast Nanotools Lab med professor Frank Hegmann ved University of Alberta, en verdensekspert i ultrahurtig terahertz-videnskab og nanofysik.

Deres fund, "Ultrahurtig terahertz -kontrol af ekstreme tunnelstrømme gennem enkeltatomer på en siliciumoverflade, "dukkede op i 20. februar -udgaven af Naturfysik .