Mikroskop tillader ultrahurtig manipulation i nanoskala, mens du sporer energidynamikken

Siden begyndelsen af ​​2010'erne, ultrahurtig sondering af materialer ved opløsning på atomniveau er blevet muliggjort af terahertz scanning tunneling mikroskoper (THz-STM). Men disse enheder kan ikke detektere spredningen af ​​energi, der sker under begivenheder, såsom når fotoner udsendes via rekombinationsproces af et elektron-hul-par i en lysemitterende diode (LED). Imidlertid, en ny teknik tillader sporing af netop sådan energidynamik sammen med THz-STM, åbning af nye undersøgelsesmuligheder for videnskab og teknologi i nanoskala.

Forskere i Japan har udviklet en mikroskopiteknik, der kombinerer evnen til at manipulere elektronernes bevægelse på en femtosekunds tidsskala og til at detektere en foton ved sub-nanometer opløsning. Den nye metode tilbyder en ny platform for forskere til at udføre eksperimenter, der involverer sansning og kontrol af kvantesystemer, åbner nye døre for videnskab i nanoskala og udvikling af nanoteknologier.

Holdet, består af forskere ved Yokohama National University og RIKEN, offentliggjort detaljer om deres teknik i tidsskriftet ACS Fotonik den 27. januar.

Scanning tunneling microscope (STM) blev udviklet i 1981 som et instrument, der producerer billeder af overflader på atomniveau. Teknikken afhænger af fænomenet kvantetunnelering, hvor en partikel "tunneler" gennem en ellers uigennemtrængelig barriere. Overfladen, der undersøges af mikroskopet, mærkes af en meget fin og skarp ledende spids. Når spidsen nærmer sig overfladen, en spænding påført over spidsen og overfladen tillader elektroner at tunnelere gennem vakuumet mellem dem. Strømmen produceret af denne tunneling giver igen information om objektet, som derefter kan oversættes til et visuelt billede.

STM tog et stort spring fremad i begyndelsen af ​​2010'erne med THz-STM teknikken, som bruger en ultrahurtig elektrisk feltpuls ved scanningsprobespidsen af ​​en STM til at manipulere elektroner på en tidsskala på under et picosekund (en billiontedel af et sekund).

Dette er fantastisk til ultrahurtig sondering af materialer ved opløsning på atomniveau, men kan ikke detektere den spredning af energi, der sker under kvanteomdannelser. Dette inkluderer, for eksempel, elektron-foton konverteringer, hvad der sker, når en indsprøjtning af elektron, eller hul, rammer en LED, banker præcis én foton løs inde i LED-halvledermaterialet. Det ville være meget nyttigt at kombinere STM's ultrahurtige opløsning på atomniveau med at kunne spore en sådan dynamik i spredning af energi.

En teknologi, der faktisk kan spore en sådan dynamik, kaldet scanning tunneling luminescensspektroskopi (STL), måler fotoner omdannet af tunnelelektroner og er blevet udviklet parallelt med THz-STM. STL tilbyder rigelig information om fotonenergi, intensitet, polarisering og effektiviteten af ​​dens emission, udløst af elektrontunneling.

"Men THz-STM og STL var aldrig blevet kombineret før i en enkelt opsætning, " sagde Jun Takeda fra Yokohama National University, som var med til at lede undersøgelsen. "Så vi sætter de to teknikker sammen."

En linse blev placeret på en sådan måde, at den fokuserede THz-impulser på spidsen af ​​STM. Fotoner produceret fra disse impulser blev derefter opsamlet ved hjælp af en anden linse og rettet til en fotondetektor, muliggør den ønskede undersøgelse af energidynamikken af ​​kvanteomdannelser, der forekommer under STM ultrahurtig sondering af materialer på atomniveau.

Dette afslørede en ultrahurtig excitation af plasmoner (overfladeelektroner) ved ekstrem høj spænding.

"Denne excitation kunne igen give en unik ny platform for eksperimentering og udforskning af lys-stof-interaktioner i en 'plasmonisk nanokavitet', siger Ikufumi Katayama, som også var med til at lede undersøgelsen. Plasmonisk nanokavitet er en struktur i nanometerskala til at fange lys, men det ville involvere disse overfladeelektroner.

Nanokavitetsmetoden skulle muliggøre undersøgelse af energidynamik som følge af elektrontunnelering i halvledere, og i andre molekylære systemer på en tidsskala på selv et femtosekund - en kvadrilliontedel af et sekund, eller den tid, det typisk tager for molekylær dynamik, fysiske bevægelser af individuelle atomer eller molekyler, at forekomme. Dette skulle muliggøre større sansning og kontrol af kvantesystemer, giver ny indsigt og fremskridt inden for nanoskalateknologi og -videnskab.