Een team van natuurkundigen uit Duitsland, de .S. en het VK slaagde erin om de beweging van elektronen van een atomair dunne laag naar een aangrenzende te observeren met ruimtelijke resolutie op nanoschaal. Het nieuwe contactloze nanoscopieconcept, waaruit blijkt dat er een groot potentieel is voor onderzoeken naar het uitvoeren van, niet-geleidende en supergeleidende materialen, wordt geïntroduceerd in het nieuwe deel van het wetenschappelijke tijdschrift Natuurfotonica .

Nanotechnologie klinkt als sciencefiction, maar is al een integraal onderdeel van moderne elektronica in computers, smartphones en auto's. De grootte van transistors en diodes heeft de nanoschaal bereikt, overeenkomend met slechts een miljoenste van een millimeter. Hierdoor zijn conventionele optische microscopen niet meer voldoende om deze nanostructuren te inspecteren. Om innovatieve toekomstige nanotechnologie te ontwikkelen, wetenschappers hebben de optische microscoop vervangen door veel geavanceerdere concepten, zoals elektronen- of scanning tunneling microscopie. Echter, deze technieken gebruiken elektronen in plaats van licht, die de eigenschappen van de apparaten op nanoschaal kunnen beïnvloeden. Verder, deze belangrijke meettechnieken zijn beperkt tot elektrisch geleidende monsters.

Een team van natuurkundigen rond Rupert Huber en Jaroslav Fabian van het Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) aan de Universität Regensburg, samen met collega's Tyler Cocker van de Michigan State University, ONS., en Jessica Boland van de Universiteit van Manchester, VK, hebben een nieuwe techniek geïntroduceerd die elektronenbeweging op nanoschaal kan oplossen zonder elektrisch contact. Nog steeds beter, de nieuwe methode bereikt ook een femtoseconde tijdresolutie op een quadriljoenste van een seconde. Door deze extreme ruimtelijke en temporele resoluties te combineren, is het mogelijk om slow motion-films van ultrasnelle elektronendynamica op nanoschaal op te nemen.

Het concept achter de techniek is vergelijkbaar met technologieën voor contactloos betalen. Deze betaalmethoden zijn gebaseerd op vastgestelde frequenties en protocollen op macroschaal zoals Near Field Communication (NFC). Hier, de wetenschappers brachten dit idee over naar nanoschaal door een scherpe metalen punt als nano-antenne te gebruiken, die dicht bij het onderzochte monster wordt gebracht. In tegenstelling tot gevestigde technieken waarbij tips een stroom door het monster sturen, het nieuwe concept maakt gebruik van een zwak wisselend elektrisch veld om het monster contactloos te scannen. De frequentie die in de experimenten wordt gebruikt, wordt verhoogd tot het terahertz-spectrale bereik, ongeveer 100, 000 keer hoger dan die gebruikt in NFC-scanners. Minutieuze veranderingen in deze zwakke elektrische velden maken nauwkeurige conclusies mogelijk over de lokale elektronenbeweging in het materiaal. Door de metingen te combineren met een realistische kwantumtheorie, blijkt dat het concept zelfs kwantitatieve resultaten mogelijk maakt. Om een ​​hoge temporele resolutie te bereiken, de natuurkundigen gebruikten extreem korte lichtpulsen om haarscherpe snapshots te maken van de beweging van elektronen over nanometerafstanden.

Het team koos een monster van een nieuwe materiaalklasse genaamd overgangsmetaal dichalcogeniden, die in atomair dunne lagen kunnen worden geproduceerd, als hun eerste testexemplaar. Wanneer deze platen onder vrij gekozen hoeken worden gestapeld, nieuwe kunstmatige vaste stoffen ontstaan ​​met nieuwe materiaaleigenschappen, die prominent worden onderzocht in het Collaborative Research Center 1277 in Regensburg. Het onderzochte monster was gemaakt van twee verschillende atomair dunne dichalcogeniden om het middelpunt van een futuristische zonnecel te testen. Door groen licht op de structuur te schijnen, ontstaan ​​ladingsdragers die in de ene of de andere richting bewegen, afhankelijk van hun polariteit - het basisprincipe van een zonnecel, die licht omzet in elektriciteit. De ultrasnelle ladingsscheiding werd door de wetenschappers in ruimte en tijd met nanometerprecisie waargenomen. Tot hun verbazing, de ladingsscheiding werkt zelfs betrouwbaar wanneer de dichalcogenidelagen als een minitapijt over kleine onzuiverheden liggen - belangrijke inzichten om deze nieuwe materialen te optimaliseren voor toekomstig gebruik in zonnecellen of computerchips.

"We kunnen niet wachten om nog meer fascinerende ladingsoverdrachtsprocessen vast te leggen in isolatie, geleidende en supergeleidende materialen, " zegt Markus Plankl, eerste auteur van de publicatie.

Postdoctoraal collega en co-auteur Thomas Siday zegt:"Inzichten over het ultrasnelle transport op de relevante lengte- en tijdschalen zullen ons helpen te begrijpen hoe tunneling de functionaliteiten in een breed scala aan gecondenseerde materiesystemen vormgeeft."