Toen natuurkundige Tyler Cocker in 2018 bij de Michigan State University kwam werken, had hij een duidelijk doel:een krachtige microscoop bouwen die de eerste in zijn soort in de Verenigde Staten zou zijn.

Toen we dat hadden bereikt, was het tijd om de microscoop aan het werk te zetten.

"We wisten dat we iets nuttigs moesten doen", zegt Cocker, Jerry Cowen bijzonder leerstoel in experimentele fysica aan de afdeling natuur- en sterrenkunde van het College of Natural Science. "We hebben de mooiste microscoop van het land. We moeten dit in ons voordeel gebruiken."

Met zijn microscoop gebruikt het team van Cocker licht en elektronen om materialen te bestuderen met een ongeëvenaarde intimiteit en resolutie. De onderzoekers kunnen atomen zien en kwantumkenmerken meten in monsters die de bouwstenen kunnen worden van kwantumcomputers en zonnecellen van de volgende generatie.

Het team heeft de wereld de eerste glimp van die mogelijkheden gegeven op 23 november in het tijdschrift Nature Communications , momentopnamen makend van hoe elektronen worden verdeeld in zogenaamde grafeen-nanoribbons.

"Dit is een van de eerste demonstraties dat dit type microscoop je iets nieuws kan vertellen," zei Cocker. "We zijn erg enthousiast en trots op het werk. We hebben ook al deze ideeën in ons hoofd over waar we naartoe willen."

Cocker's team maakt deel uit van een samenwerking die werkt aan de ontwikkeling van deze nanoribbons tot qubits, uitgesproken als "q-bits", voor kwantumcomputers. De samenwerking omvat vijf instellingen en het werk wordt ondersteund door een subsidie ​​van het Office of Naval Research die meer dan $ 1 miljoen zal opleveren voor de bijdrage van MSU.

Voor de Natuurcommunicatie studie werkte Cocker samen met de onderzoeksgroep van Roman Fasel, een professor aan de Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschap en -technologie. Fasel bedacht wat bekend staat als de bottom-up groeimethode voor grafeen nanoribbons. Het laboratorium van Fasel heeft moleculen gesynthetiseerd die, met toevoeging van warmte, zichzelf kunnen bouwen tot linten met een vooraf bepaalde vorm en grootte.

"Je bakt de moleculen in wezen als een cake," zei Cocker. "Dan zijn de eigenschappen van het lint waarmee je eindigt vooraf gedefinieerd. Je weet wat je krijgt voordat je begint."

Het Zwitserse lab stuurde de moleculen naar MSU, waar Cocker's lab de precisielinten kweekte en ze vervolgens met zijn microscoop onderzocht. De basis voor het instrument is een zogenaamde scanning tunneling microscoop, of STM, die een zeer scherpe punt of sonde extreem dicht bij het bestudeerde specimen brengt zonder het aan te raken.

Hoewel de punt en het monster geen contact maken, kunnen elektronen nog steeds van de punt naar het monster springen of tunnelen. Door vast te leggen hoe de elektronen tunnelen - bijvoorbeeld hoeveel elektronen tunnelen en hoe snel - maakt de microscoop beelden met hoge resolutie van het monster en zijn eigenschappen.

Wat Cocker en zijn team hebben gedaan, is deze conventionele STM koppelen aan extreem korte pulsen van laserlicht, waardoor ze de punt van de STM nog dichter bij het monster kunnen brengen. Hierdoor kunnen ze meer gedetailleerde informatie uit een steekproef halen dan ooit tevoren.

"Het is bijna alsof we inzoomen door de tip fysiek dichterbij te brengen," zei hij.

Het team zou vervolgens verschillende nanoribbons kunnen karakteriseren met atomaire resolutie, waardoor ongekend duidelijke informatie wordt onthuld over hoe elektronen binnen de structuur worden verdeeld.

Naast een publicatie heeft dit werk ook prijzen gewonnen voor zijn Spartaanse auteurs. Postdoctoraal wetenschapper Vedran Jelic won een prijs voor zijn poster over het onderzoek tijdens een recente workshop in Duitsland. Afgestudeerd student-onderzoeker Spencer Ammerman won afgelopen november een prijs voor de presentatie van het werk op een conferentie georganiseerd door de Infrared, Millimeter and Terahertz Wave Society, die Cocker ook de Young Scientist Award 2021 toekende.

Hoe enthousiast Cocker en zijn team ook zijn over de nieuwe krant en deze onderscheidingen, ze kijken uit naar de toekomst. Het team werkt er bijvoorbeeld aan om van stilstaande beelden naar filmpjes van monsters te gaan, om te laten zien hoe elektronen binnen de linten bewegen terwijl het nanomateriaal licht absorbeert.

De onderzoekers bouwen ook een tweede microscoop met steun van een subsidie ​​van het ministerie van Defensie die in juni is toegekend, wat betekent dat de enige twee microscopen zoals deze in de VS beide bij MSU zullen zijn.

"Dit artikel is erg spannend, maar het is ook nog maar de eerste stap", zei Cocker. "We denken dat het veel mogelijkheden gaat bieden." + Verder verkennen

Een strategie om de spinpolarisatie van elektronen te regelen met behulp van helium