Forskere udvikler scanningstunnelmikroskopi med højere billedhastighed

Forskere fra Fakultetet for Rene og Anvendte Videnskaber ved University of Tsukuba skabte scanning tunneling microscopy (STM) "snapshots" med en forsinkelse mellem billederne meget kortere end tidligere muligt. Ved at bruge ultrahurtige lasermetoder forbedrede de tidsopløsningen fra picosekunder til snesevis af femtosekunder, hvilket i høj grad kan forbedre forskernes evne til at studere ekstremt hurtige processer.

Et picosekund, som blot er en trilliontedel af et sekund, er meget kortere end et blink med øjet. For de fleste applikationer ville et filmkamera, der kunne optage billeder på et picosekund, være meget hurtigere end nødvendigt. For forskere, der forsøger at forstå den ultrahurtige dynamik af materialer ved hjælp af STM, såsom omlejring af atomer under en faseovergang eller kortvarig excitation af elektroner, kan det dog være smerteligt langsomt.

Nu har et team af forskere ved University of Tsukuba designet et STM-system baseret på en pumpe-probe-metode, der kan bruges over en lang række forsinkelsestider så korte som 30 femtosekunder. I denne teknik bruges en pumpelaser til at excitere materialet, efterfulgt hurtigt af en sondelaser. Forsinkelsestiden styres af bevægelige spejle, der ændrer den afstand, som sondestrålen skal tilbagelægge.

Ved lysets hastighed udmønter dette sig i forsinkelsestider i størrelsesordenen femtosekunder. Denne tidsskala er nødvendig for at få en mere fuldstændig forståelse af materialers adfærd. "I kondenseret stof er dynamikken ofte ikke rumlig ensartet, men er snarere stærkt påvirket af lokale strukturer såsom defekter på atomniveau, som kan ændre sig over meget korte tidsskalaer," siger seniorforfatter professor Hidemi Shigekawa.

I den nye opsætning aktiverer sondestrålen STM-kredsløbet til at optage mikroskopidata. Som en illustration studerede forskerne den foto-inducerede ultrahurtige ikke-ligevægtsdynamik af molybdæntellurid (MoTe2). De var i stand til at måle elektrondynamik over et tidsrum på op til et picosekund og fandt ud af, at de stemte overens med de teoretiske forudsigelser om båndstrukturrenormalisering. STM-billederne dannede snapshots, hvor individuelle atomer kunne opløses, og virkningerne af excitationen kunne følges.

"Dette niveau af forstørrelse er blevet opnået før, men vores arbejde repræsenterer et betydeligt fremskridt i den tidsmæssige opløsning, der er tilgængelig for scanningselektronmikroskoper," siger hovedforfatter professor Yusuke Arashida. Forskerne forventer, at disse systemer kan hjælpe i en bred vifte af materialevidenskabelige applikationer, såsom design af nye solceller eller elektroniske enheder i nanoskala.

Undersøgelsen er publiceret i ACS Photonics . + Udforsk yderligere

Enkeltskuds ultrahurtig multiplekset kohærent diffraktionsbilleddannelsesmetode