Un gruppo di ricerca congiunto guidato dal Prof. Dai Qing e dal Prof. Li Chi del Centro nazionale per le nanoscienze e la tecnologia (NCNST) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS) ha dimostrato la fotoemissione ultraveloce coerente da un singolo livello energetico quantizzato di un carbonio nanotubo. Lo studio è stato pubblicato su Science Advances il 12 ottobre.
L’esplorazione dei processi dinamici su scale spaziotemporali estreme è fondamentale per i progressi scientifici e tecnologici. Ciò è particolarmente vero nel regno microscopico, dove la maggior parte dei movimenti sono ultraveloci, soprattutto su scala spaziale atomica, poiché i processi ultraveloci possono raggiungere durate di pochi femtosecondi o addirittura attosecondi.
Rispetto agli impulsi di luce ultraveloci, gli impulsi di elettroni ultraveloci offrono un'elevata risoluzione temporale e spaziale, rendendoli una promettente tecnologia di caratterizzazione ultraveloce di prossima generazione che potrebbe potenzialmente superare gli impulsi di luce ad attosecondi.
La monocromaticità della sorgente di elettroni è vitale per ottenere un'elevata risoluzione spaziale. Tuttavia, la forte interazione tra gli elettroni e il campo ottico fa sì che gli elettroni eccitati occupino un’ampia gamma di livelli energetici. Ciò porta a una significativa dispersione di energia (>600 meV) nelle fonti di elettroni ultraveloci che si basano su nanostrutture metalliche tradizionali.
Per affrontare questo problema, il team del Prof. Dai ha proposto l'uso di nanotubi di carbonio come materiali di origine di elettroni ultraveloci, sostituendo le nanostrutture metalliche convenzionali nel loro studio precedente.
Nel presente studio, i ricercatori hanno utilizzato nanotubi di carbonio a parete singola con un diametro di circa 2 nm come emettitori, ottenendo un'emissione di singolo elettrone con effetto tunnel risonante ultraveloce.
Hanno utilizzato la teoria del funzionale della densità dipendente dal tempo (TDDFT) per la simulazione e hanno scoperto che potrebbe formarsi una barriera di strato di esaurimento tra il cappuccio del nanotubo di carbonio e il suo corpo. Questo, insieme alla barriera del vuoto, forma una struttura a doppia barriera, consentendo al cappuccio a dimensione zero di fungere da cavità di risonanza elettronica, supportando sia gli effetti di tunneling risonante che di blocco di Coulomb.
Successivamente, hanno messo a punto con precisione la struttura a doppia barriera sulla punta controllando la concentrazione del portatore attraverso la temperatura locale e hanno osservato il fenomeno della resistenza differenziale negativa (NDR) indotta dal laser, dimostrando l'effetto del tunneling risonante.
La distanza regolabile del picco di resistenza negativa ha anche suggerito la presenza di una rinormalizzazione del livello di energia nel cappuccio, supportando il meccanismo di emissione di un singolo elettrone controllato dal blocco di Coulomb.
Inoltre, hanno osservato il fenomeno della scissione del picco NDR. Le simulazioni TDDFT hanno confermato che questo fenomeno è dovuto alla netta scissione di due stati quantistici degenerati causata dall'effetto combinato del campo statico e del campo laser. Ciò indica che i livelli di energia quantistica possono essere ulteriormente perfezionati per ottenere un'emissione di elettroni più controllata.
Valutando il grado di suddivisione del livello energetico e combinandolo con i calcoli dei principi primi dipendenti dal tempo, è stato stimato che la diffusione dell'energia dell'emissione di elettroni era di circa 57 meV, che è un ordine di grandezza inferiore a quello dei metalli.
"Utilizzando la struttura atomica unica dei nanotubi di carbonio, è possibile ottenere una fonte di elettroni coerente ultraveloce vicina al limite del principio di incertezza tempo-energia", ha affermato il prof. Dai. "Ciò potrebbe consentire alle sonde elettroniche di avere una risoluzione spaziale sub-angstrom e una risoluzione temporale al femtosecondo, il che è di grande importanza per molte applicazioni scientifiche e tecnologiche, inclusa la microscopia elettronica ad attosecondi."
Ulteriori informazioni: Chi Li et al, Fotoemissione ultraveloce coerente da un singolo stato quantizzato di un emettitore unidimensionale, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adf4170
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
