Gli scienziati della Facoltà di scienze pure e applicate dell'Università di Tsukuba hanno creato "istantanee" di microscopia a effetto tunnel (STM) con un ritardo tra i fotogrammi molto più breve di quanto possibile in precedenza. Utilizzando metodi laser ultraveloci, hanno migliorato la risoluzione temporale da picosecondi a decine di femtosecondi, il che può aumentare notevolmente la capacità degli scienziati della materia condensata di studiare processi estremamente rapidi.

Un picosecondo, che è solo un trilionesimo di secondo, è molto più breve di un battito di ciglia. Per la maggior parte delle applicazioni, una cinepresa in grado di registrare fotogrammi in un picosecondo sarebbe molto più veloce del necessario. Tuttavia, per gli scienziati che cercano di comprendere la dinamica ultraveloce dei materiali utilizzando l'STM, come il riarrangiamento degli atomi durante una transizione di fase o la breve eccitazione degli elettroni, può essere dolorosamente lento.

Ora, un team di ricercatori dell'Università di Tsukuba ha progettato un sistema STM basato su un metodo pompa-sonda che può essere utilizzato su un'ampia gamma di tempi di ritardo fino a 30 femtosecondi. In questa tecnica, viene utilizzato un laser a pompa per eccitare il materiale, seguito rapidamente da un laser sonda. Il tempo di ritardo è controllato da specchi mobili che cambiano la distanza che il raggio della sonda deve percorrere.

Alla velocità della luce, questo si traduce in tempi di ritardo dell'ordine dei femtosecondi. Questa scala temporale è necessaria per ottenere una comprensione più completa del comportamento dei materiali. "Nella materia condensata, le dinamiche spesso non sono spazialmente uniformi, ma piuttosto sono fortemente influenzate da strutture locali come i difetti a livello atomico, che possono cambiare in tempi molto brevi", afferma l'autore senior, il professor Hidemi Shigekawa.

Nella nuova configurazione, il raggio della sonda attiva il circuito STM per registrare i dati di microscopia. A titolo illustrativo, i ricercatori hanno studiato la dinamica di non equilibrio ultraveloce fotoindotta del tellururo di molibdeno (MoTe2). Sono stati in grado di misurare la dinamica elettronica nell'intervallo di tempo fino a un picosecondo e hanno scoperto di essere d'accordo con le previsioni teoriche della rinormalizzazione della struttura delle bande. Le immagini STM formavano istantanee in cui i singoli atomi potevano essere risolti e potevano essere seguiti gli effetti dell'eccitazione.

"Questo livello di ingrandimento è stato raggiunto in precedenza, ma il nostro lavoro rappresenta un progresso significativo nella risoluzione temporale disponibile per i microscopi elettronici a scansione", afferma l'autore principale, il professor Yusuke Arashida. I ricercatori prevedono che questi sistemi potrebbero aiutare in un'ampia gamma di applicazioni della scienza dei materiali, come la progettazione di nuove celle solari o dispositivi elettronici su scala nanometrica.

Lo studio è pubblicato su ACS Photonics . + Esplora ulteriormente

Metodo di imaging a diffrazione coerente multiplexata ultraveloce a scatto singolo