Elektronen die over de grens tussen twee materialen stromen, vormen de basis van veel sleuteltechnologieën, van flashgeheugens tot batterijen en zonnecellen. Nu hebben onderzoekers deze kleine grensoverschrijdende bewegingen voor het eerst direct geobserveerd en geklokt, kijken hoe elektronen zeven tienden van een nanometer - ongeveer de breedte van zeven waterstofatomen - in 100 miljoenste van een miljardste van een seconde racen.

Onder leiding van wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University, het team deed deze waarnemingen door kleine uitbarstingen van elektromagnetische golven te meten die worden afgegeven door de reizende elektronen - een fenomeen dat meer dan een eeuw geleden werd beschreven door de vergelijkingen van Maxwell, maar nu pas toegepast op deze belangrijke meting.

"Om iets nuttigs te maken, over het algemeen moet je verschillende materialen samenvoegen en lading of warmte of licht ertussen overbrengen, " zei Eric Yue Ma, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van SLAC/Stanford Professor Tony Heinz en hoofdauteur van een rapport in wetenschappelijke vooruitgang .

"Dit opent een nieuwe manier om te meten hoe lading - in dit geval elektronen en gaten - reist over het abrupte grensvlak tussen twee materialen, " zei hij. "Het is niet alleen van toepassing op gelaagde materialen. Bijvoorbeeld, het kan ook worden gebruikt om te kijken naar elektronen die stromen tussen een vast oppervlak en moleculen die eraan vastzitten, of zelfs, in principe, tussen een vloeistof en een vaste stof."

Te kort, te snel - of waren ze?

De gebruikte materialen in dit experiment zijn overgangsmetaal dichalcogeniden, of TMDC's - een opkomende klasse van halfgeleidende materialen die bestaan ​​uit lagen van slechts enkele atomen dik. De belangstelling voor TMDC's is de afgelopen jaren explosief gestegen terwijl wetenschappers hun fundamentele eigenschappen en mogelijke toepassingen in nano-elektronica en fotonica onderzoeken.

Wanneer twee soorten TMDC in afwisselende lagen worden gestapeld, elektronen kunnen van de ene laag naar de andere stromen op een beheersbare manier die mensen voor verschillende toepassingen zouden willen gebruiken.

Maar tot nu toe, onderzoekers die die stroom wilden observeren en bestuderen, konden dat alleen indirect, door het materiaal te onderzoeken voor en nadat de elektronen waren verplaatst. De afstanden waren gewoon te kort, en het elektron versnelt te snel, voor de instrumenten van vandaag om de stroom van lading direct op te vangen.

Dat dachten ze tenminste.

Maxwell wijst de weg

Volgens een beroemde reeks vergelijkingen genoemd naar natuurkundige James Clerk Maxwell, stroompulsen geven elektromagnetische golven af, die kunnen variëren van radiogolven en microgolven tot zichtbaar licht en röntgenstraling. In dit geval, het team realiseerde zich dat de reis van een elektron van de ene TMDC-laag naar de andere blips van terahertz-golven zou moeten genereren - die tussen microgolven en infrarood licht op het elektromagnetische spectrum vallen - en dat die blips kunnen worden gedetecteerd met de geavanceerde hulpmiddelen van vandaag.

"Mensen hadden hier waarschijnlijk al eerder aan gedacht, maar verwierpen het idee omdat ze dachten dat er geen manier was om de stroom te meten van elektronen die zo'n kleine afstand afleggen in zo'n kleine hoeveelheid materiaal, ' zei ma. 'Maar als je de achterkant van de envelop rekent, je ziet dat als een stroom echt zo snel is, je het uitgestraalde licht zou moeten kunnen meten, dus we hebben het gewoon geprobeerd."

Nudges van een laser

De onderzoekers, alle onderzoekers bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij SLAC, testten hun idee op een TMDC-materiaal gemaakt van molybdeendisulfide en wolfraamdisulfide.

In samenwerking met SLAC/Stanford-professor Aaron Lindenberg, Ma en collega-postdoc Burak Guzelturk raakten het materiaal met ultrakorte pulsen van optisch laserlicht om de elektronen in beweging te krijgen en legden de terahertz-golven vast die ze afgaven met een techniek die terahertz-emissiespectroscopie in het tijdsdomein wordt genoemd. Die metingen onthulden niet alleen hoe ver en snel de elektrische stroom tussen lagen reisde, ma zei, maar ook de richting waarin het reisde. Toen dezelfde twee materialen in omgekeerde volgorde werden gestapeld, de stroom liep op precies dezelfde manier, maar in de tegenovergestelde richting.

"Met de demonstratie van deze nieuwe techniek, veel opwindende problemen kunnen nu worden aangepakt, " zei Heinz, die het onderzoek van het team leidde. "Bijvoorbeeld, Het is bekend dat het roteren van een van de twee kristallagen ten opzichte van de andere de elektronische en optische eigenschappen van de gecombineerde lagen drastisch verandert. Met deze methode kunnen we de snelle beweging van elektronen van de ene laag naar de andere direct volgen en zien hoe deze beweging wordt beïnvloed door de relatieve positionering van de atomen."