Per la prima volta in assoluto, gli scienziati hanno catturato immagini della dinamica degli elettroni terahertz di una superficie di semiconduttore su scala atomica. L'esperimento riuscito indica un futuro luminoso per il nuovo sottocampo in rapida crescita chiamato microscopia a effetto tunnel a scansione terahertz (THz-STM), introdotto dall'Università di Alberta in Canada. THz-STM consente ai ricercatori di visualizzare il comportamento degli elettroni in tempi estremamente rapidi ed esplorare come tale comportamento cambia tra i diversi atomi.

"Possiamo essenzialmente ingrandire per osservare processi molto veloci con precisione atomica e su scale temporali super veloci, "dice Vedran Jelic, Studente di dottorato presso l'Università di Alberta e autore principale del nuovo studio. "THz-STM ci offre una nuova finestra sul nanomondo, permettendoci di esplorare processi ultraveloci su scala atomica. Stiamo parlando di un picosecondo, o un milionesimo milionesimo di secondo. È qualcosa che non è mai stato fatto prima".

Jelic e i suoi collaboratori hanno usato il loro microscopio a effetto tunnel (STM) per catturare immagini di atomi di silicio eseguendo la scansione raster di una punta molto affilata sulla superficie e registrando l'altezza della punta mentre segue le corrugazioni atomiche della superficie. Mentre l'STM originale può misurare e manipolare singoli atomi, per i quali i suoi creatori hanno vinto un premio Nobel nel 1986, lo fa utilizzando l'elettronica cablata ed è in definitiva limitato in termini di velocità e quindi di risoluzione temporale.

I laser moderni producono impulsi luminosi molto brevi in ​​grado di misurare un'intera gamma di processi ultraveloci, ma tipicamente su scale di lunghezza limitate dalla lunghezza d'onda della luce a centinaia di nanometri. Sono stati spesi molti sforzi per superare le sfide poste dalla combinazione di laser ultraveloci con microscopia ultra-piccola. Gli scienziati dell'Università dell'Alberta hanno affrontato queste sfide lavorando su un'esclusiva gamma di frequenze terahertz dello spettro elettromagnetico che consente l'implementazione wireless. Normalmente l'STM necessita di una tensione applicata per funzionare, ma Jelic e i suoi collaboratori sono in grado di guidare il loro microscopio usando invece impulsi di luce. Questi impulsi si verificano in tempi molto rapidi, il che significa che il microscopio è in grado di vedere eventi molto veloci.

Incorporando il THz-STM in una camera a vuoto ultraelevato, esente da qualsiasi contaminazione o vibrazione esterna, sono in grado di posizionare con precisione la loro punta e mantenere una superficie perfettamente pulita durante l'imaging della dinamica ultraveloce degli atomi sulle superfici. Il loro prossimo passo è collaborare con altri scienziati dei materiali e immaginare una varietà di nuove superfici su scala nanometrica che un giorno potrebbero rivoluzionare la velocità e l'efficienza della tecnologia attuale, che vanno dalle celle solari all'elaborazione al computer.

"La microscopia a effetto tunnel a scansione Terahertz sta aprendo la porta a un regime inesplorato in fisica, "conclude Jelic, che sta studiando nell'Ultrafast Nanotools Lab con il professore dell'Università di Alberta Frank Hegmann, un esperto mondiale nella scienza e nella nanofisica dei terahertz ultraveloci.

Le loro scoperte, "Controllo terahertz ultraveloce di correnti tunnel estreme attraverso singoli atomi su una superficie di silicio, " apparso nel numero del 20 febbraio di Fisica della natura .