Un team di fisici dalla Germania, la .S. e il Regno Unito è riuscito a osservare il movimento degli elettroni da uno strato atomicamente sottile a uno adiacente con una risoluzione spaziale su nanoscala. Il nuovo concetto di nanoscopia senza contatto, che mostra un grande potenziale per le indagini sulla conduzione, materiali non conduttori e superconduttori, sarà introdotto nel nuovo volume della rivista scientifica Fotonica della natura .

La nanotecnologia sembra fantascienza, ma è già parte integrante della moderna elettronica nei computer, smartphone e auto. La dimensione di transistor e diodi ha raggiunto la nanoscala, corrispondente a solo un milionesimo di millimetro. Ciò rende i microscopi ottici convenzionali non più sufficienti per ispezionare queste nanostrutture. Per sviluppare nanotecnologie innovative del futuro, gli scienziati hanno sostituito il microscopio ottico con concetti molto più sofisticati, come la microscopia a effetto tunnel o a scansione elettronica. Però, queste tecniche usano gli elettroni invece della luce, che possono influenzare le proprietà dei dispositivi su scala nanometrica. Per di più, queste importanti tecniche di misurazione sono limitate a campioni conduttori di elettricità.

Un team di fisici intorno a Rupert Huber e Jaroslav Fabian al Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) presso l'Universität Regensburg, insieme ai colleghi Tyler Cocker della Michigan State University, NOI., e Jessica Boland dell'Università di Manchester, UK., hanno introdotto una nuova tecnica in grado di risolvere il movimento degli elettroni su scala nanometrica senza contatto elettrico. Meglio ancora, il nuovo metodo raggiunge anche la risoluzione temporale dei femtosecondi a un quadrilionesimo di secondo. La combinazione di queste risoluzioni spaziali e temporali estreme rende possibile la registrazione di filmati al rallentatore della dinamica degli elettroni ultraveloci su scala nanometrica.

Il concetto alla base della tecnica è simile alle tecnologie di pagamento contactless. Questi metodi di pagamento si basano su frequenze stabilite e protocolli su macroscala come la Near Field Communication (NFC). Qui, gli scienziati hanno trasferito questa idea su scala nanometrica utilizzando una punta metallica affilata come nano-antenna, che viene avvicinato al campione indagato. A differenza delle tecniche consolidate in cui le punte guidano una corrente attraverso il campione, il nuovo concetto utilizza un debole campo elettrico alternato per scansionare il campione senza contatto. La frequenza utilizzata negli esperimenti è aumentata fino alla gamma spettrale terahertz, circa 100, 000 volte superiore a quello utilizzato negli scanner NFC. Piccoli cambiamenti in questi deboli campi elettrici consentono di trarre conclusioni precise sul movimento locale degli elettroni all'interno del materiale. La combinazione delle misurazioni con una teoria quantistica realistica mostra che il concetto consente anche risultati quantitativi. Per ottenere un'elevata risoluzione temporale, i fisici hanno utilizzato impulsi di luce estremamente brevi per registrare istantanee nitide del movimento degli elettroni su distanze nanometriche.

Il team ha scelto un campione di una nuova classe di materiali chiamata dicalcogenuri di metalli di transizione, che può essere prodotto in strati atomicamente sottili, come primo campione di prova. Quando questi fogli vengono impilati secondo angoli liberamente scelti, emergono nuovi solidi artificiali con nuove proprietà dei materiali, che sono ampiamente studiati nel Collaborative Research Center 1277 a Regensburg. Il campione in studio è stato realizzato con due diversi dicalcogenuri atomicamente sottili per testare il fulcro di una futuristica cella solare. La luce verde brillante sulla struttura fa emergere portatori di carica che si muovono in una o nell'altra direzione a seconda della loro polarità:il principio di base di una cella solare, che trasforma la luce in elettricità. La separazione della carica ultraveloce è stata osservata dagli scienziati nello spazio e nel tempo con precisione nanometrica. Con loro sorpresa, la separazione della carica funziona in modo affidabile anche quando gli strati di dicalcogenuro si trovano su minuscole impurità come un mini tappeto:informazioni importanti per ottimizzare questi nuovi materiali per l'uso futuro nelle celle solari o nei chip dei computer.

"Non vediamo l'ora di registrare ulteriori affascinanti processi di trasferimento di carica nell'isolamento, materiali conduttori e superconduttori, "dice Markus Plankl, primo autore della pubblicazione.

Il collega post-dottorato e coautore Thomas Siday afferma:"Approfondimenti sul trasporto ultraveloce sulla lunghezza e sui tempi rilevanti ci aiuteranno a capire come il tunneling modella le funzionalità in un'ampia gamma di sistemi di materia condensata".