Een gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van prof. Dai Qing en prof. Li Chi van het Nationaal Centrum voor Nanowetenschappen en Technologie (NCNST) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) heeft de coherente ultrasnelle foto-emissie aangetoond van een enkel gekwantiseerd energieniveau van een koolstofatoom nanobuis. Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances op 12 oktober.

Het onderzoeken van dynamische processen op extreme tijdruimteschalen is van cruciaal belang voor wetenschappelijke en technologische vooruitgang. Dit geldt met name op microscopisch gebied, waar de meeste bewegingen ultrasnel zijn, vooral op atomaire ruimtelijke schaal, omdat ultrasnelle processen een duur van enkele femtoseconden of zelfs attoseconden kunnen bereiken.

Vergeleken met ultrasnelle lichtpulsen bieden ultrasnelle elektronenpulsen zowel een hoge temporele als ruimtelijke resolutie, waardoor ze een veelbelovende ultrasnelle karakteriseringstechnologie van de volgende generatie zijn die potentieel attoseconde lichtpulsen zou kunnen overtreffen.

De monochromaticiteit van de elektronenbron is van vitaal belang voor het bereiken van een hoge ruimtelijke resolutie. De sterke interactie tussen elektronen en het optische veld resulteert er echter in dat aangeslagen elektronen een breed scala aan energieniveaus innemen. Dit leidt tot aanzienlijke energieverspreiding (>600meV) in ultrasnelle elektronenbronnen die afhankelijk zijn van traditionele metalen nanostructuren.

Om dit probleem aan te pakken, stelde het team van prof. Dai in hun vorige onderzoek het gebruik van koolstofnanobuisjes voor als ultrasnelle elektronenbronmaterialen, ter vervanging van conventionele metalen nanostructuren.

In het huidige onderzoek gebruikten de onderzoekers enkelwandige koolstofnanobuisjes met een diameter van ongeveer 2 nm als emitters, waardoor ultrasnelle resonante tunneling van afzonderlijke elektronenemissie werd bereikt.

Ze gebruikten Time-Dependent Density Functional Theory (TDDFT) voor simulatie en ontdekten dat er zich een uitputtingslaagbarrière kon vormen tussen de dop van de koolstofnanobuis en zijn lichaam. Dit vormt, in combinatie met de vacuümbarrière, een dubbele barrièrestructuur, waardoor de nuldimensionale kap kan dienen als een elektronenresonante holte, die zowel resonante tunneling als Coulomb-blokkade-effecten ondersteunt.

Vervolgens hebben ze de dubbele barrièrestructuur aan de punt nauwkeurig afgesteld door de concentratie van de drager te controleren door de lokale temperatuur te beïnvloeden, en hebben ze het fenomeen van lasergeïnduceerde negatieve differentiële weerstand (NDR) waargenomen, wat het effect van resonante tunneling bewees.

De instelbare piekafstand van de negatieve weerstandspiek suggereerde ook de aanwezigheid van renormalisatie van het energieniveau in de dop, ter ondersteuning van het Coulomb-blokkade-gecontroleerde mechanisme voor de emissie van één elektron.

Bovendien observeerden ze het splitsingsfenomeen van de NDR-piek. TDDFT-simulaties bevestigden dat dit fenomeen te wijten is aan de sterke splitsing van twee gedegenereerde kwantumtoestanden, veroorzaakt door het gecombineerde effect van het statische veld en het laserveld. Dit geeft aan dat de kwantumenergieniveaus verder kunnen worden verfijnd om een ​​meer gecontroleerde elektronenemissie te bereiken.

Door de mate van splitsing van het energieniveau te beoordelen en deze te combineren met tijdsafhankelijke berekeningen op basis van de eerste principes, werd geschat dat de spreiding van de elektronenemissie-energie ongeveer 57 meV bedroeg, wat een orde van grootte lager is dan die van metalen.

"Door gebruik te maken van de unieke atomaire structuur van koolstofnanobuisjes is het mogelijk om een ​​ultrasnelle coherente elektronenbron te realiseren die dicht bij de limiet van het tijd-energie-onzekerheidsprincipe ligt", aldus prof. Dai. "Dit zou ervoor kunnen zorgen dat elektronensondes een ruimtelijke resolutie van minder dan angstrom en een femtoseconde tijdsresolutie kunnen hebben, wat van groot belang is voor veel wetenschappelijke en technologische toepassingen, waaronder attoseconde-elektronenmicroscopie."

Meer informatie: Chi Li et al, Coherente ultrasnelle foto-emissie vanuit een enkele gekwantiseerde toestand van een eendimensionale zender, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adf4170

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen