Desde principios de la década de 2010, los microscopios de túnel de barrido de terahercios (THz-STM) han permitido la detección ultrarrápida de materiales con precisión a nivel atómico. Pero estos dispositivos no pueden detectar la disipación de energía que ocurre durante eventos como cuando se emiten fotones a través del proceso de recombinación de un par de agujeros electrónicos en un diodo emisor de luz (LED). Sin embargo, una nueva tecnología permite rastrear estas dinámicas energéticas en conjunto con THz-STM, abriendo nuevas vías para investigar la ciencia y la tecnología a nanoescala.

Investigadores en Japón han desarrollado una técnica microscópica que combina la capacidad de manipular el movimiento de electrones en una escala de tiempo de femtosegundos con la detección de un fotón con una precisión de menos de un nanómetro. El nuevo método proporciona una nueva plataforma para que los científicos lleven a cabo experimentos que incluyen la detección y el control de sistemas cuánticos, la apertura de nuevas puertas para la nanociencia y el desarrollo de nanotecnologías.

El equipo, compuesto por científicos de la Universidad Nacional de Yokohama y RIKEN, publicó detalles de su enfoque en la revista. Fotónica ACS El 27 de enero.

La encuesta Excavación de túneles El microscopio STM fue desarrollado en 1981 como una herramienta que produce imágenes de superficies a nivel atómico. Esta técnica se basa en el fenómeno de túnel cuántico, en el que una partícula “hace un túnel” a través de una barrera impenetrable. La superficie examinada con un microscopio es detectada por una punta conductora muy fina y afilada. Cuando la punta se acerca a la superficie, el voltaje aplicado a través del terminal y la superficie permite que los electrones pasen a través del espacio entre ellos. La corriente producida por este túnel, a su vez, proporciona información sobre el objeto que luego puede traducirse en una imagen visual.

STM dio un gran salto adelante a principios de 2010 con la tecnología THz-STM, que utiliza un pulso de campo eléctrico ultrarrápido en la punta de la sonda de exploración en un STM para procesar electrones en un rango de tiempo de menos de un picosegundo (billonésima de segundo ).

Esto es excelente para el examen ultrarrápido de materiales precisamente a nivel atómico, pero no puede detectar la disipación de energía que ocurre durante las transformaciones cuánticas. Esto incluye, por ejemplo, transformaciones de electrones y fotones, que es lo que sucede cuando una jeringa de electrones, o un agujero, choca con un LED, aflojando exactamente un fotón dentro del material semiconductor del LED. Sería muy beneficioso combinar la precisión ultrarrápida a nivel atómico del STM con la capacidad de rastrear la dinámica de la propagación de energía.

Una tecnología que realmente puede rastrear dicha dinámica, llamada espectroscopia de luminiscencia de túnel (STL), mide los fotones transmitidos por los electrones de túnel y se ha desarrollado en paralelo con THz-STM. STL proporciona abundante información sobre la energía de los fotones, la intensidad, la polarización y su eficiencia de emisión, como resultado del efecto túnel de los electrones.

“Pero THz-STM y STL nunca se habían combinado en un solo grupo”, dijo John Takeda de la Universidad Nacional de Yokohama, quien codirigió el estudio. “Así que juntamos las dos tecnologías”.

La lente está colocada de tal manera que los pulsos de THz se enfocan en la punta del STM. Los fotones generados a partir de estos pulsos fueron luego recolectados usando una segunda lente y dirigidos al detector de fotones, permitiendo la investigación deseada de la dinámica energética de las transformaciones cuánticas que tienen lugar durante la sonda STM ultrarrápida de materiales a nivel atómico.

Esto reveló una excitación ultrarrápida de plasmones (electrones de superficie) a voltajes extremadamente altos.

“Esta emoción podría, a su vez, proporcionar una nueva plataforma única para la experimentación y exploración de interacciones fotosintéticas en la“ nanoescala plasmónica ”. Pero esto incluiría estos electrones de superficie, dice Ikufumi Katayama, quien también codirigió el estudio.

El método a nanoescala debería permitir la investigación de la dinámica energética resultante del túnel de electrones en semiconductores y en otros sistemas moleculares con una escala de tiempo de hasta una fracción de un femtosegundo-cuadrillonésimo de segundo, o la cantidad de tiempo que normalmente tomaría para la dinámica molecular. , y el movimiento físico de átomos o moléculas individuales. Esto debería permitir una mayor detección y control de los sistemas cuánticos, proporcionando nuevos conocimientos y avances en la tecnología y la ciencia a nanoescala.

Proporcionado por la Universidad Nacional de Yokohama