Forskerhold demonstrerer kohærent ultrahurtig fotoemission fra kulstof nanorør-emitter

Et fælles forskerhold ledet af prof. Dai Qing og prof. Li Chi fra National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) under det kinesiske videnskabsakademi (CAS) har demonstreret den sammenhængende ultrahurtige fotoemission fra et enkelt kvantiseret energiniveau af et kulstof nanorør. Undersøgelsen blev offentliggjort i Science Advances den 12. oktober.

Udforskning af dynamiske processer på ekstreme rumlige skalaer er afgørende for videnskabelige og teknologiske fremskridt. Dette gælder især i det mikroskopiske område, hvor de fleste bevægelser er ultrahurtige, især på den atomare rumlige skala, da ultrahurtige processer kan nå varigheder på nogle få femtosekunder eller endda attosekunder.

Sammenlignet med ultrahurtige lysimpulser tilbyder ultrahurtige elektronimpulser både høj tidsmæssig og rumlig opløsning, hvilket gør dem til en lovende næste generation af ultrahurtig karakteriseringsteknologi, der potentielt kan overstige attosekundens lysimpulser.

Monokromaticiteten af ​​elektronkilden er afgørende for at opnå høj rumlig opløsning. Den stærke interaktion mellem elektroner og det optiske felt resulterer imidlertid i, at exciterede elektroner optager en lang række energiniveauer. Dette fører til betydelig energispredning (>600meV) i ultrahurtige elektronkilder, der er afhængige af traditionelle metalnanostrukturer.

For at løse dette problem foreslog Prof. Dais team brugen af ​​kulstofnanorør som ultrahurtige elektronkildematerialer, der erstattede konventionelle metalnanostrukturer i deres tidligere undersøgelse.

I den aktuelle undersøgelse brugte forskerne enkeltvæggede kulstof-nanorør med en diameter på ca. 2nm som emittere, hvilket opnåede ultrahurtig resonans-tunneling af enkeltelektronemission.

De brugte Time-Dependent Density Functional Theory (TDDFT) til simulering og opdagede, at en udtømningslagsbarriere kunne dannes mellem kulstofnanorørets hætte og dens krop. Dette, sammen med vakuumbarrieren, danner en dobbelt barrierestruktur, der gør det muligt for den nuldimensionelle hætte at tjene som et elektronresonanshulrum, der understøtter både resonant tunneling og Coulomb blokadeeffekter.

Efterfølgende finjusterede de den dobbelte barrierestruktur ved spidsen ved at kontrollere bærerkoncentrationen ved at betjene den lokale temperatur og observerede fænomenet laser-induceret negativ differentiel modstand (NDR), hvilket beviste effekten af ​​resonant tunneling.

Den justerbare spidsafstand af den negative modstandsspids antydede også tilstedeværelsen af ​​energiniveau-renormalisering i hætten, hvilket understøtter den Coulomb blokade-kontrollerede enkelt-elektronemissionsmekanisme.

Desuden observerede de splittelsesfænomenet ved NDR-toppen. TDDFT-simuleringer bekræftede, at dette fænomen skyldes Stark-spaltning af to degenererede kvantetilstande forårsaget af den kombinerede effekt af det statiske felt og laserfeltet. Dette indikerer, at kvanteenerginiveauer kan finjusteres yderligere for at opnå mere kontrolleret elektronemission.

Ved at vurdere graden af ​​energiniveauopdeling og kombinere det med tidsafhængige beregninger af de første principper, blev det estimeret, at elektronemissionsenergispredningen var ca. 57meV, hvilket er en størrelsesorden lavere end metallers.

"Ved at udnytte den unikke atomare struktur af kulstof nanorør er det muligt at opnå en ultrahurtig sammenhængende elektronkilde tæt på grænsen for tids-energi usikkerhedsprincippet," sagde prof. Dai. "Dette kunne gøre det muligt for elektronsonder at have sub-angstrøm rumlig opløsning og femtosekund tidsopløsning, hvilket er af stor betydning for mange videnskabelige og teknologiske applikationer, herunder attosecond elektronmikroskopi."

Flere oplysninger: Chi Li et al., Kohærent ultrahurtig fotoemission fra en enkelt kvantiseret tilstand af en endimensionel emitter, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adf4170

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Chinese Academy of Sciences