Controlul ultrafast al fluxului de electroni, realizat cu ajutorul luminii într-un microscope cu efect tunel
O echipă de cercetători a reușit să combine observarea la scară atomică cu urmărirea mișcării electronilor pe intervale de timp extrem de scurte, folosind impulsuri laser special modelate pentru a dirija fluxul de electroni într-un microscope cu efect tunel (scanning tunneling microscope), păstrând totodată rezoluția spațială la nivel nanometric. Studiul, condus de Michael Krüger de la Facultatea de Fizică a Technion și publicat în Nature Photonics, se bazează pe un microscope prevăzut cu un vârf de ac extrem de ascuțit.
Atunci când vârful este apropiat foarte mult de o suprafață, electronii pot traversa spațiul dintre ele printr-un efect cuantic numit tunelare. Curentul astfel generat permite cercetătorilor să cartografieze detalii foarte fine ale suprafeței. Până în prezent, urmărirea mișcării rapide a electronilor în acest spațiu minuscul a reprezentat o provocare majoră.
Impulsuri cu două culori pentru dirijarea electronilor
Echipa a direcționat impulsuri laser în infraroșu în spațiul dintre vârf și probă. Fiecare impuls conținea două culori de lumină. Modificând sincronizarea relativă a acestora, cercetătorii au schimbat forma undei luminoase și au putut dirija electronii fie dinspre vârf spre probă, fie în direcția opusă. Ajustarea sincronizării, în locul aprinderii și stingerii repetate a laserului, i-a ajutat să distingă curentul ultrafast de semnalele de zgomot cauzate de încălzirea produsă de laser.
„Îmi amintesc cu drag ziua în care studenții noștri Daniel Davidovich și Boyang Ma și dr. Adi Goldner au venit în biroul meu cu o măsurătoare nouă și captivantă”, a declarat Krüger. „Am putut în sfârșit demonstra fără nicio îndoială că putem controla direcția curentului.”
Compararea măsurătorilor cu mai multe modele teoretice le-a permis cercetătorilor să reconstruiască izbucniri de curent care durează 860 de attosecunde. Pentru perspectivă, o attosecundă este a miliarda parte dintr-o miliardime de secundă. Modelele au arătat de asemenea modul în care câmpul luminos ajută un electron să traverseze spațiul: face bariera mai ușor de străbătut, accelerează electronul și îl împinge în suprafață.
Rezoluție nanometrică, menținută în aer și la temperatura camerei
Microscopul a păstrat o rezoluție laterală de aproximativ doi nanometri și a putut detecta variații de înălțime a suprafeței mai mici de un ångström, chiar și în timp ce funcționa la temperatura camerei și în aer. Obținerea unor măsurători fiabile a necesitat ani de muncă practică.
„Am testat trei sisteme laser diferite și am reconstruit de mai multe ori configurația optică până când am putut distinge clar între curentul ultrafast și zgomot”, a spus Goldner, cercetător în laboratorul lui Krüger.
Studiul a fost realizat împreună cu fizicianul teoretician Andrei Borisov de la CNRS Université Paris-Saclay și de la Donostia International Physics Center. Rezultatele reprezintă un pas spre observarea modului în care electronii se deplasează în locuri specifice dintr-un material, pe măsură ce această mișcare se desfășoară. Potrivit lui Krüger, lucrarea ar putea oferi informații pentru electronica viitoare, în care undele luminoase să controleze curenții la scări și viteze dincolo de cele ale dispozitivelor actuale. Aceste aplicații rămân însă un obiectiv pentru cercetările viitoare; studiul de față stabilește controlul precis al fluxului de electroni în spațiul nanometric al microscopeului.
