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显微镜技术使得超快纳米操纵的同时跟踪能量动态成为可能
发布时间:2021-04-02 12:38:01 阅读:80

来源:日本横滨国立大学;电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 刘琛杰 编译

太赫兹场驱动扫描隧道发光(THz-STL)光谱学的基本概念。
太赫兹场驱动的非弹性隧穿电子可以诱导局域等离子体激元发光。
图片来源:横滨国立大学

    自2010年代初以来,太赫兹扫描隧道显微镜(THz-STM)已经实现了原子级分辨率的材料超快探测。但是这些设备无法检测到事件发生时的能量耗散,例如通过发光二极管(LED)中的电子-空穴对的重组过程发射光子时。然而,一项新技术允许与THz-STM协同跟踪这样的能量动态,为纳米科学技术开辟了新的研究途径。

    日本的研究人员已经开发出一种显微镜技术,该技术结合了在飞秒级的时间尺度上操纵电子运动并在亚纳米分辨率下检测光子的能力。这种新方法为科学家进行涉及传感和控制量子系统的实验提供了新平台,为纳米科学和纳米技术的发展打开了新大门。

    该团队由横滨国立大学和日本理化学研究所的科学家组成,于1月27日在ACS Photonics杂志上发表了相关技术细节。

    扫描隧道显微镜(STM)于1981年开发,是一种用于产生原子级表面图像的仪器。这项技术依赖于量子隧穿现象,即粒子“隧穿”一个原本无法穿透的势垒。显微镜通过一个非常细而尖锐的导电针来感测正在观察的表面。当针尖接近表面时,在针尖和表面之间施加的电压使电子能够隧穿他们之间的真空。这种隧穿产生的电流反过来提供了物体的信息,这些信息随后可以被转换为可视图像。

    在2010年代初,STM因采用THz-STM技术取得了长足的进步,该技术使用STM扫描探针尖端的超快电场脉冲以低于皮秒(万亿分之一秒)的时间尺度操纵电子。

    这对于以原子级分辨率进行材料的超快探测非常有用,但无法检测量子转换过程中发生的能量耗散。例如电子-光子转换,即电子或空穴的注入撞击LED时,恰好使LED半导体材料中的一个光子释放。将STM的超快原子级分辨率和能够跟踪这种能量动态的技术结合起来将是非常有用的。

    这种确实可以跟踪这种能量动态的技术,称为扫描隧道发光光谱(STL),可以测量由隧穿电子转换而来的光子,且与THz-STM并行发展。STL提供了由电子隧穿触发的光子能量、强度、极化及其发射效率的丰富信息。

    “但是THz-STM和STL从来没有在一个单一的装置中结合起来,”共同领导这项研究的横滨国立大学的Jun Takeda说:“所以,我们将这两种技术结合在一起。”

    这样放置透镜使THz脉冲聚焦到STM的针尖上,然后用第二个透镜收集这些脉冲产生的光子并将其导向光子探测器,从而可以在原子水平上对STM材料超快探测期间发生的量子转换的能量动态进行所需的研究。

    这揭示了在极高电压下等离子体激元(表面电子)的超快激发。

    共同主持这项研究的Ikufumi Katayama表示:“这种激发反过来可以为‘等离子体纳米腔’中的光和物质互作用的实验和探索提供一个独特的新平台。”等离子体纳米腔是一种用于捕获光的纳米结构,但这将涉及这些表面电子。

    纳米腔方法理应允许研究半导体和其他分子系统中电子隧穿所产生的能量动态,其时间尺度甚至为飞秒——千万亿分之一秒,也就是分子动力学通常所需的时间,即单个原子或分子物理运动发生所需的时间。这将允许更好地感测和控制量子系统,为纳米技术和科学带来新颖的见解和进步。

 
 

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