Voor de eerste keer ooit, wetenschappers hebben beelden vastgelegd van terahertz-elektronendynamica van een halfgeleideroppervlak op atomaire schaal. Het succesvolle experiment geeft een mooie toekomst aan voor het nieuwe en snelgroeiende subveld genaamd terahertz scanning tunneling microscopie (THz-STM), ontwikkeld door de Universiteit van Alberta in Canada. Met THz-STM kunnen onderzoekers het gedrag van elektronen op extreem snelle tijdschalen in beeld brengen en onderzoeken hoe dat gedrag tussen verschillende atomen verandert.

"We kunnen in wezen inzoomen om zeer snelle processen te observeren met atomaire precisie en over supersnelle tijdschalen, " zegt Vedran Jelic, Promovendus aan de Universiteit van Alberta en hoofdauteur van de nieuwe studie. "THz-STM biedt ons een nieuw venster in de nanowereld, waardoor we ultrasnelle processen op atomaire schaal kunnen onderzoeken. We hebben het over een picoseconde, of een miljoenste miljoenste van een seconde. Het is iets dat nog nooit eerder is gedaan."

Jelic en zijn medewerkers gebruikten hun scanning tunneling microscope (STM) om afbeeldingen van siliciumatomen vast te leggen door een zeer scherpe punt over het oppervlak te rasteren en de punthoogte vast te leggen terwijl deze de atomaire ribbels van het oppervlak volgt. Hoewel de originele STM afzonderlijke atomen kan meten en manipuleren - waarvoor de makers in 1986 een Nobelprijs ontvingen - doet hij dit met behulp van bedrade elektronica en is uiteindelijk beperkt in snelheid en dus tijdresolutie.

Moderne lasers produceren zeer korte lichtpulsen die een hele reeks ultrasnelle processen kunnen meten, maar meestal over lengteschalen beperkt door de golflengte van licht op honderden nanometers. Er is veel moeite gedaan om de uitdagingen van het combineren van ultrasnelle lasers met ultrakleine microscopie te overwinnen. De wetenschappers van de Universiteit van Alberta hebben deze uitdagingen aangepakt door te werken in een uniek terahertz-frequentiebereik van het elektromagnetische spectrum dat draadloze implementatie mogelijk maakt. Normaal gesproken heeft de STM een aangelegde spanning nodig om te kunnen werken, maar Jelic en zijn medewerkers kunnen in plaats daarvan hun microscoop besturen met behulp van lichtpulsen. Deze pulsen vinden plaats over zeer snelle tijdschalen, wat betekent dat de microscoop echt snelle gebeurtenissen kan zien.

Door de THz-STM op te nemen in een ultrahoge vacuümkamer, vrij van externe vervuiling of trillingen, ze zijn in staat om hun punt nauwkeurig te positioneren en een perfect schoon oppervlak te behouden, terwijl ze de ultrasnelle dynamiek van atomen op oppervlakken in beeld brengen. Hun volgende stap is om samen te werken met collega-materiaalwetenschappers en een verscheidenheid aan nieuwe oppervlakken op nanoschaal in beeld te brengen die op een dag een revolutie teweeg kunnen brengen in de snelheid en efficiëntie van de huidige technologie, variërend van zonnecellen tot computerverwerking.

"Terahertz scanning tunneling microscopie opent de deur naar een onontgonnen regime in de natuurkunde, " concludeert Jelic, die studeert in het Ultrafast Nanotools Lab bij professor Frank Hegmann van de Universiteit van Alberta, een wereldexpert in ultrasnelle terahertz-wetenschap en nanofysica.

Hun bevindingen, "Ultrasnelle terahertz-controle van extreme tunnelstromen door enkele atomen op een siliciumoppervlak, " verscheen in het nummer van 20 februari van Natuurfysica .