Wetenschappers van de Faculteit der Zuivere en Toegepaste Wetenschappen van de Universiteit van Tsukuba hebben scanning tunneling microscopie (STM) "snapshots" gemaakt met een vertraging tussen frames die veel korter is dan voorheen mogelijk was. Door ultrasnelle lasermethoden te gebruiken, verbeterden ze de tijdresolutie van picoseconden tot tientallen femtoseconden, wat het vermogen van wetenschappers op het gebied van gecondenseerde materie om extreem snelle processen te bestuderen aanzienlijk kan verbeteren.

Eén picoseconde, wat slechts een biljoenste van een seconde is, is veel korter dan een oogwenk. Voor de meeste toepassingen zou een filmcamera die beelden in een picoseconde zou kunnen opnemen veel sneller zijn dan nodig. Voor wetenschappers die de ultrasnelle dynamiek van materialen met STM proberen te begrijpen, zoals de herschikking van atomen tijdens een faseovergang of de korte excitatie van elektronen, kan het echter pijnlijk langzaam zijn.

Nu heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba een STM-systeem ontworpen op basis van een pomp-sondemethode die kan worden gebruikt over een breed scala aan vertragingstijden van slechts 30 femtoseconden. Bij deze techniek wordt een pomplaser gebruikt om het materiaal te exciteren, snel gevolgd door een sondelaser. De vertragingstijd wordt geregeld door beweegbare spiegels die de afstand die de sondestraal moet afleggen veranderen.

Met de snelheid van het licht vertaalt dit zich in vertragingstijden in de orde van femtoseconden. Deze tijdschaal is nodig om een ​​vollediger inzicht te krijgen in het gedrag van materialen. "In gecondenseerde materie is de dynamiek vaak niet ruimtelijk uniform, maar wordt ze eerder sterk beïnvloed door lokale structuren zoals defecten op atomair niveau, die in zeer korte tijdspannes kunnen veranderen", zegt hoofdauteur professor Hidemi Shigekawa.

In de nieuwe opstelling activeert de sondestraal het STM-circuit om microscopiegegevens vast te leggen. Ter illustratie bestudeerden de onderzoekers de foto-geïnduceerde ultrasnelle niet-evenwichtsdynamiek van molybdeentelluride (MoTe2). Ze waren in staat om de elektronendynamica te meten over een tijdsbereik van maximaal één picoseconde, en ontdekten dat ze het eens waren met de theoretische voorspellingen van de renormalisatie van de bandstructuur. De STM-beelden vormden snapshots waarin individuele atomen konden worden opgelost en de effecten van de excitatie konden worden gevolgd.

"Dit niveau van vergroting is al eerder bereikt, maar ons werk vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang in de temporele resolutie die beschikbaar is voor scanning-elektronenmicroscopen", zegt hoofdauteur professor Yusuke Arashida. De onderzoekers verwachten dat deze systemen kunnen helpen bij een breed scala aan materiaalwetenschappelijke toepassingen, zoals het ontwerpen van nieuwe zonnecellen of elektronische apparaten op nanoschaal.

De studie is gepubliceerd in ACS Photonics . + Verder verkennen

Single-shot ultrasnelle gemultiplexte coherente diffractie-beeldvormingsmethode