Lysbølgedrevet scanning tunneling spektroskopi af atomisk præcise grafen nanobånd

Da fysikeren Tyler Cocker kom til Michigan State University i 2018, havde han et klart mål:Byg et kraftfuldt mikroskop, der ville være det første af sin slags i USA.

Efter at have opnået det, var det tid til at sætte mikroskopet i gang.

"Vi vidste, at vi var nødt til at gøre noget nyttigt," sagde Cocker, Jerry Cowen Begavet Chair in Experimental Physics i College of Natural Science's Department of Physics and Astronomy. "Vi har det pæneste mikroskop i landet. Vi bør bruge dette til vores fordel."

Med sit mikroskop bruger Cockers team lys og elektroner til at studere materialer med en uovertruffen intimitet og opløsning. Forskerne kan se atomer og måle kvantetræk i prøver, der kan blive byggestenene i kvantecomputere og næste generation af solceller.

Holdet gav verden det første glimt af disse egenskaber den 23. november i tidsskriftet Nature Communications , tager snapshots af, hvordan elektroner er fordelt i det, der er kendt som grafen nanobånd.

"Dette er en af ​​de første demonstrationer af, at denne type mikroskop kan fortælle dig noget nyt," sagde Cocker. "Vi er meget begejstrede og stolte af arbejdet. Vi har også alle disse ideer i vores hoveder om, hvor vi vil hen med det."

Cockers team er en del af et samarbejde, der arbejder på at udvikle disse nanobånd til qubits, udtales "q-bits", til kvantecomputere. Samarbejdet spænder over fem institutioner, og arbejdet er støttet af en bevilling fra Office of Naval Research, der vil give mere end $1 million til MSU's bidrag.

Til Nature Communications undersøgelse, gik Cocker sammen med forskergruppen af ​​Roman Fasel, en professor ved de schweiziske føderale laboratorier for materialevidenskab og teknologi. Fasel opfandt det, der er kendt som bottom-up vækstmetoden for grafen nanobånd. Fasels laboratorium har syntetiseret molekyler, der med tilsætning af varme kan bygge sig selv ind i bånd med en forudbestemt form og størrelse.

"Du bager i det væsentlige molekylerne som en kage," sagde Cocker. "Så er egenskaberne for det bånd, du ender med, foruddefinerede. Du ved, hvad du får, før du starter."

Det schweiziske laboratorium sendte molekylerne til MSU, hvor Cockers laboratorium dyrkede præcisionsbåndene og derefter undersøgte dem med sit mikroskop. Grundlaget for instrumentet er det, der er kendt som et scanningstunnelmikroskop eller STM, der bringer en meget skarp spids eller sonde ekstremt tæt på den prøve, der undersøges, uden at røre den.

Selvom spidsen og prøven ikke er i kontakt, kan elektroner stadig hoppe eller tunnelere fra spidsen til prøven. Ved at registrere, hvordan elektrontunnelen – for eksempel hvor mange elektrontunneler og hvor hurtigt – bygger mikroskopet billeder i høj opløsning af prøven og dens egenskaber.

Hvad Cocker og hans team har gjort, er at koble denne konventionelle STM med ekstremt korte pulser af laserlys, som lader dem bringe STM's spids endnu tættere på prøven. Som et resultat er de i stand til at udtrække mere detaljerede oplysninger fra en prøve end nogensinde før.

"Det er næsten, som om vi zoomer ind ved fysisk at bringe spidsen tættere på," sagde han.

Holdet kunne derefter karakterisere forskellige nanobånd med atomopløsning og afsløre hidtil uset klar information om, hvordan elektroner er fordelt i strukturen.

Ud over en publikation har dette værk også vundet priser for sine spartanske forfattere. Postdoc Vedran Jelic vandt en pris for sin plakat om forskningen ved en nylig workshop i Tyskland. Kandidatstuderende forsker Spencer Ammerman vandt en pris for at præsentere værket i november sidste år på en konference arrangeret af Infrared, Millimeter og Terahertz Wave Society, som også tildelte Cocker sin 2021 Young Scientist Award.

Lige så spændte som Cocker og hans team er over det nye blad og disse udmærkelser, ser de frem til det næste. For eksempel arbejder holdet på at gå fra stillbilleder til film af prøver, der viser, hvordan elektroner bevæger sig i båndene, når nanomaterialet absorberer lys.

Forskerne bygger også et andet mikroskop med støtte fra en bevilling fra forsvarsministeriet, der blev tildelt i juni, hvilket betyder, at de eneste to mikroskoper som dette i USA begge vil være på MSU.

"Dette papir er meget spændende, men det er også bare det første skridt," sagde Cocker. "Vi tror, ​​det vil åbne op for mange muligheder." + Udforsk yderligere

En strategi til at kontrollere spinpolariseringen af ​​elektroner ved hjælp af helium