Dall'inizio degli anni 2010, il sondaggio ultraveloce di materiali a risoluzione a livello atomico è stato reso possibile da microscopi a effetto tunnel a scansione terahertz (THz-STM). Ma questi dispositivi non sono in grado di rilevare la dissipazione di energia che si verifica durante eventi come quando i fotoni vengono emessi tramite il processo di ricombinazione di una coppia elettrone-lacuna in un diodo a emissione di luce (LED). Però, una nuova tecnica consente il tracciamento di tali dinamiche energetiche insieme a THz-STM, aprendo nuove strade di indagine per la scienza e la tecnologia su scala nanometrica.

I ricercatori in Giappone hanno sviluppato una tecnica di microscopia che combina la capacità di manipolare il movimento degli elettroni su una scala temporale di femtosecondi e di rilevare un fotone con una risoluzione sub-nanometrica. Il nuovo metodo offre una nuova piattaforma per gli scienziati per condurre esperimenti che coinvolgono il rilevamento e il controllo di sistemi quantistici, aprendo nuove porte alla scienza su scala nanometrica e allo sviluppo delle nanotecnologie.

Il gruppo, è composto da scienziati della Yokohama National University e RIKEN, hanno pubblicato i dettagli della loro tecnica sulla rivista Fotonica ACS il 27 gennaio.

Il microscopio a effetto tunnel (STM) è stato sviluppato nel 1981 come strumento che produce immagini di superfici a livello atomico. La tecnica dipende dal fenomeno del tunneling quantistico, in cui una particella "tunnel" attraverso una barriera altrimenti impenetrabile. La superficie che viene esaminata dal microscopio viene rilevata da una punta conduttrice molto fine e affilata. Quando la punta si avvicina alla superficie, una tensione applicata attraverso la punta e la superficie consente agli elettroni di passare attraverso il vuoto tra di loro. La corrente prodotta da questo tunneling a sua volta fornisce informazioni sull'oggetto che possono poi essere tradotte in un'immagine visiva.

STM ha fatto un grande balzo in avanti nei primi anni 2010 con la tecnica THz-STM, che utilizza un impulso di campo elettrico ultraveloce sulla punta della sonda di scansione di un STM per manipolare gli elettroni in una scala temporale inferiore a un picosecondo (un trilionesimo di secondo).

Questo è ottimo per il sondaggio ultrarapido di materiali con risoluzione a livello atomico, ma non è in grado di rilevare la dissipazione di energia che avviene durante le conversioni quantistiche. Ciò comprende, Per esempio, conversioni elettrone-fotone, che è ciò che accade quando un'iniezione di elettroni, o buco, colpisce un LED, liberando esattamente un fotone all'interno del materiale semiconduttore del LED. Sarebbe molto utile combinare la risoluzione a livello atomico ultraveloce di STM con la capacità di tracciare tale dinamica di diffusione dell'energia.

Una tecnologia in grado di seguire tali dinamiche, chiamata spettroscopia di luminescenza a effetto tunnel (STL), misura i fotoni convertiti da elettroni tunnel ed è stato sviluppato in parallelo a THz-STM. STL offre abbondanti informazioni sull'energia dei fotoni, intensità, polarizzazione e l'efficienza della sua emissione, innescato dal tunneling elettronico.

"Ma THz-STM e STL non erano mai stati combinati prima in un unico set-up, " ha detto Jun Takeda della Yokohama National University, che ha co-diretto lo studio. "Così abbiamo messo insieme le due tecniche."

Una lente è stata posizionata in modo tale da focalizzare gli impulsi THz sulla punta dell'STM. I fotoni prodotti da questi impulsi sono stati quindi raccolti utilizzando una seconda lente e diretti a un rilevatore di fotoni, consentendo l'indagine desiderata della dinamica energetica delle conversioni quantistiche che si verificano durante il sondaggio ultraveloce STM di materiali a livello atomico.

Ciò ha rivelato un'eccitazione ultraveloce dei plasmoni (elettroni di superficie) a un voltaggio estremamente elevato.

"Questa eccitazione a sua volta potrebbe fornire una nuova piattaforma unica per la sperimentazione e l'esplorazione delle interazioni luce-materia in una 'nanocavità plasmonica', dice Ikufumi Katayama, che ha anche co-diretto lo studio. La nanocavità plasmonica è una struttura su scala nanometrica per intrappolare la luce, ma ciò coinvolgerebbe questi elettroni di superficie.

Il metodo della nanocavità dovrebbe consentire lo studio della dinamica energetica risultante dal tunneling di elettroni nei semiconduttori, e in altri sistemi molecolari alla scala temporale anche di un femtosecondo, un quadrilionesimo di secondo, o la quantità di tempo normalmente necessaria per la dinamica molecolare, il movimento fisico di singoli atomi o molecole, verificare. Ciò dovrebbe consentire un maggiore rilevamento e controllo dei sistemi quantistici, fornendo nuove intuizioni e progressi nella tecnologia e nella scienza su nanoscala.