Første direkte visning af en elektron kort, hurtig tur over en grænse

Elektroner, der flyder over grænsen mellem to materialer, er grundlaget for mange vigtige teknologier, fra flashhukommelser til batterier og solceller. Nu har forskere direkte observeret og klokket disse små grænseoverskridende bevægelser for første gang, ser på, hvordan elektroner kørte syv tiendedele af et nanometer-omkring bredden af ​​syv brintatomer-i 100 milliontedele af en milliarddel af et sekund.

Ledet af forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University, holdet foretog disse observationer ved at måle små udbrud af elektromagnetiske bølger, der afgives af de omrejsende elektroner - et fænomen beskrevet for mere end et århundrede siden af ​​Maxwells ligninger, men først nu anvendt på denne vigtige måling.

"For at gøre noget nyttigt, generelt skal du sammensætte forskellige materialer og overføre ladning eller varme eller lys mellem dem, "sagde Eric Yue Ma, en postdoktor i SLACs laboratorium/Stanford professor Tony Heinz og hovedforfatter af en rapport i Videnskab fremskridt .

"Dette åbner en ny måde at måle, hvordan afgift - i dette tilfælde elektroner og huller - rejser hen over den pludselige grænseflade mellem to materialer, "sagde han." Det gælder ikke kun for lagdelte materialer. For eksempel, den kan også bruges til at se på elektroner, der flyder mellem en fast overflade og molekyler, der er knyttet til den, eller endda, i princippet, mellem en væske og et fast stof. "

For kort, for hurtigt - eller var de det?

Materialerne anvendt i dette eksperiment er overgangsmetal -dichalcogenider, eller TMDC'er - en ny klasse af halvledende materialer, der består af lag, der kun er få atomer tykke. Der har været en eksplosion af interesse for TMDC'er i løbet af de sidste par år, da forskere undersøger deres grundlæggende egenskaber og potentielle anvendelser inden for nanoelektronik og fotonik.

Når to typer TMDC stables i skiftevis lag, elektroner kan flyde fra det ene lag til det næste på en kontrollerbar måde, som folk gerne vil udnytte til forskellige applikationer.

Men indtil nu, forskere, der ønskede at observere og studere, at flow kun havde været i stand til at gøre det indirekte, ved at undersøge materialet før og efter elektronerne havde bevæget sig. De involverede afstande var bare for korte, og elektronens hastigheder er for hurtige, for dagens instrumenter til direkte at fange strømmen af ​​ladning.

Det var i hvert fald, hvad de troede.

Maxwell fører an

Ifølge et berømt sæt ligninger opkaldt efter fysiker James Clerk Maxwell, strømimpulser afgiver elektromagnetiske bølger, som kan variere fra radiobølger og mikrobølger til synligt lys og røntgenstråler. I dette tilfælde, teamet indså, at en elektrones rejse fra et TMDC-lag til et andet skulle generere blips af terahertz-bølger-der falder mellem mikrobølger og infrarødt lys på det elektromagnetiske spektrum-og at disse blips kunne detekteres med nutidens topmoderne værktøjer.

"Folk havde sikkert tænkt på dette før, men afviste ideen, fordi de troede, at du ikke kunne måle strømmen fra elektroner, der kørte så lille en afstand i så lille en mængde materiale, "Sagde Ma." Men hvis du laver en back-of-the-envelope-beregning, du ser, at hvis en strøm virkelig er så hurtig, skal du kunne måle det udsendte lys, så vi prøvede bare. "

Nudges fra en laser

Forskerne, alle efterforskere ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) på SLAC, testet deres idé på et TMDC -materiale fremstillet af molybdendisulfid og wolframdisulfid.

Arbejder med SLAC/Stanford Professor Aaron Lindenberg, Ma og andre postdoc Burak Guzelturk ramte materialet med ultrakorte pulser af optisk laserlys for at få elektronerne til at bevæge sig og registrerede terahertz-bølgerne, de afgav med en teknik kaldet tidsdomæne terahertz-emissionsspektroskopi. Disse målinger afslørede ikke kun, hvor langt og hurtigt den elektriske strøm vandrede mellem lag, Mor sagde, men også den retning, den rejste i. Når de samme to materialer blev stablet i omvendt rækkefølge, strømmen flød på nøjagtig samme måde, men i den modsatte retning.

"Med demonstrationen af ​​denne nye teknik, mange spændende problemer kan nu løses, "sagde Heinz, der ledede teamets undersøgelse. "For eksempel, at rotere det ene af de to krystallag i forhold til det andet vides at dramatisk ændre de elektroniske og optiske egenskaber for de kombinerede lag. Denne metode giver os mulighed for direkte at følge elektronernes hurtige bevægelse fra det ene lag til det andet og se, hvordan denne bevægelse påvirkes af atomernes relative positionering. "