Sinds het begin van de jaren 2010 ultrasnelle sonderen van materialen op atomaire resolutie is mogelijk gemaakt door terahertz scanning tunneling microscopen (THz-STM). Maar deze apparaten kunnen de energiedissipatie niet detecteren die plaatsvindt tijdens gebeurtenissen zoals wanneer fotonen worden uitgezonden via een recombinatieproces van een elektron-gatpaar in een lichtgevende diode (LED). Echter, een nieuwe techniek maakt het mogelijk om precies zo'n energiedynamiek te volgen naast THz-STM, het openen van nieuwe onderzoeksmethoden voor wetenschap en technologie op nanoschaal.

Onderzoekers in Japan hebben een microscopietechniek ontwikkeld die het vermogen combineert om de beweging van elektronen op een femtoseconde tijdschaal te manipuleren en een foton te detecteren met een resolutie van minder dan nanometer. De nieuwe methode biedt een nieuw platform voor wetenschappers om experimenten uit te voeren met detectie en controle van kwantumsystemen, nieuwe deuren openen voor wetenschap op nanoschaal en de ontwikkeling van nanotechnologieën.

Het team, bestaat uit wetenschappers van Yokohama National University en RIKEN, publiceerde details van hun techniek in het tijdschrift ACS Fotonica op 27 januari.

De scanning tunneling microscope (STM) werd in 1981 ontwikkeld als een instrument dat afbeeldingen van oppervlakken op atomair niveau maakt. De techniek hangt af van het fenomeen van kwantumtunneling, waarin een deeltje door een anders ondoordringbare barrière "tunnelt". Het oppervlak dat door de microscoop wordt onderzocht, wordt gedetecteerd door een zeer fijne en scherpe geleidende punt. Wanneer de punt het oppervlak nadert, een spanning die over de punt en het oppervlak wordt aangelegd, zorgt ervoor dat elektronen door het vacuüm ertussen kunnen tunnelen. De stroom die door deze tunneling wordt geproduceerd, geeft op zijn beurt informatie over het object die vervolgens kan worden vertaald in een visueel beeld.

STM maakte begin 2010 een grote sprong voorwaarts met de THz-STM-techniek, die een ultrasnelle elektrische veldpuls aan de scansondepunt van een STM gebruikt om elektronen te manipuleren op een tijdschaal van minder dan een picoseconde (een biljoenste van een seconde).

Dit is geweldig voor ultrasnelle sondering van materialen met een resolutie op atomair niveau, maar kan de dissipatie van energie die plaatsvindt tijdens kwantumconversies niet detecteren. Dit bevat, bijvoorbeeld, elektronen-foton conversies, dat is wat er gebeurt als een injectie van elektronen, of gat, raakt een LED, precies één foton in het led-halfgeleidermateriaal losslaan. Het zou erg handig zijn om de ultrasnelle resolutie van STM op atomair niveau te combineren met het kunnen volgen van een dergelijke dynamiek van diffusie van energie.

Een technologie die inderdaad een dergelijke dynamiek kan volgen, genaamd scanning tunneling luminescentie spectroscopie (STL), meet fotonen die zijn omgezet door elektronen te tunnelen en is parallel aan THz-STM ontwikkeld. STL biedt overvloedige informatie over fotonenenergie, intensiteit, polarisatie en de efficiëntie van de emissie, veroorzaakt door elektronentunneling.

"Maar THz-STM en STL waren nog nooit eerder gecombineerd in één opstelling, " zei Jun Takeda van de Yokohama National University, die de studie mede leidde. "Dus hebben we de twee technieken samengevoegd."

Een lens werd zo geplaatst dat de THz-pulsen op de punt van de STM werden gefocusseerd. Fotonen geproduceerd uit deze pulsen werden vervolgens verzameld met behulp van een tweede lens en naar een fotondetector geleid, waardoor het gewenste onderzoek mogelijk is van de energiedynamiek van kwantumconversies die plaatsvinden tijdens STM ultrasnelle sondering van materialen op atomair niveau.

Hieruit bleek een ultrasnelle excitatie van plasmonen (oppervlakte-elektronen) bij extreem hoge spanning.

"Deze excitatie zou op zijn beurt een uniek nieuw platform kunnen bieden voor experimenten en verkenning van interacties tussen licht en materie in een 'plasmonische nanoholte', zegt Ikufumi Katayama, die ook de studie leidde. Plasmonische nanocaviteit is een structuur op nanometerschaal om licht op te vangen, maar dan zouden deze oppervlakte-elektronen erbij betrokken zijn.

De nanocavity-methode moet onderzoek mogelijk maken van de energiedynamiek die het gevolg is van elektronentunneling in halfgeleiders, en in andere moleculaire systemen op een tijdschaal van zelfs een femtoseconde - een quadriljoenste van een seconde, of de hoeveelheid tijd die normaal gesproken nodig is voor moleculaire dynamica, de fysieke beweging van individuele atomen of moleculen, gebeuren. Dit zou een grotere detectie en controle van kwantumsystemen mogelijk moeten maken, het verstrekken van nieuwe inzichten en vooruitgang in technologie en wetenschap op nanoschaal.