För första gången någonsin, forskare har tagit bilder av terahertz-elektrondynamik hos en halvledaryta på atomär skala. Det framgångsrika experimentet indikerar en ljus framtid för det nya och snabbt växande underfältet som kallas terahertz scanning tunneling microscopy (THz-STM), pionjär vid University of Alberta i Kanada. THz-STM tillåter forskare att avbilda elektronbeteende vid extremt snabba tidsskalor och utforska hur det beteendet förändras mellan olika atomer.

"Vi kan i huvudsak zooma in för att observera mycket snabba processer med atomprecision och över supersnabba tidsskalor, "säger Vedran Jelic, Doktorand vid University of Alberta och huvudförfattare till den nya studien. "THz-STM ger oss ett nytt fönster in i nanovärlden, så att vi kan utforska ultrasnabba processer på atomskala. Vi pratar en pikosekund, eller en miljontiondels sekund. Det är något som aldrig har gjorts förut. "

Jelic och hans medarbetare använde sitt skanningstunnelmikroskop (STM) för att fånga bilder av kiselatomer genom att raster skanna en mycket skarp spets över ytan och registrera spetshöjden när den följer atomens korrugeringar på ytan. Medan den ursprungliga STM kan mäta och manipulera enstaka atomer - för vilka dess skapare tjänade ett Nobelpris 1986 - gör den det med trådbunden elektronik och är i slutändan begränsad i hastighet och därmed tidsupplösning.

Moderna lasrar producerar mycket korta ljuspulser som kan mäta en rad olika ultrasnabba processer, men vanligtvis över längdskalor begränsade av ljusets våglängd vid hundratals nanometer. Mycket ansträngning har gjorts för att övervinna utmaningarna med att kombinera ultrasnabba lasrar med ultraliten mikroskopi. University of Alberta -forskare tog itu med dessa utmaningar genom att arbeta i ett unikt terahertz -frekvensområde inom det elektromagnetiska spektrumet som möjliggör trådlös implementering. Normalt behöver STM en applicerad spänning för att fungera, men Jelic och hans medarbetare kan driva sitt mikroskop med hjälp av ljuspulser istället. Dessa pulser uppstår över riktigt snabba tidsskalor, vilket innebär att mikroskopet kan se riktigt snabba händelser.

Genom att införliva THz-STM i en ultrahög vakuumkammare, fri från yttre föroreningar eller vibrationer, de kan placera sin spets exakt och bibehålla en perfekt ren yta samtidigt som de avbildar ultrasnabb dynamik hos atomer på ytor. Deras nästa steg är att samarbeta med andra materialvetare och bilda en mängd nya ytor på nanoskala som en dag kan revolutionera hastigheten och effektiviteten hos nuvarande teknik, allt från solceller till datorbehandling.

"Terahertz skanningstunnelmikroskopi öppnar dörren till en outforskad regim inom fysik, "avslutar Jelic, som studerar i Ultrafast Nanotools Lab med University of Alberta professor Frank Hegmann, en världsexpert inom ultrasnabb terahertzvetenskap och nanofysik.

Deras fynd, "Ultrasnabb terahertz-kontroll av extrema tunnelströmmar genom enstaka atomer på en kiselyta, " dök upp i numret av 20 februari Naturfysik .