Elektroner som flödar över gränsen mellan två material är grunden för många nyckelteknologier, från flashminnen till batterier och solceller. Nu har forskare direkt observerat och klockat dessa små gränsöverskridande rörelser för första gången, titta på när elektroner rusade över sju tiondelar av en nanometer – ungefär lika bred som sju väteatomer – på 100 miljondelar av en miljarddels sekund.

Leds av forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University, teamet gjorde dessa observationer genom att mäta små skurar av elektromagnetiska vågor som avges av de resande elektronerna – ett fenomen som beskrevs för mer än ett sekel sedan av Maxwells ekvationer, men först nu tillämpat på denna viktiga mätning.

"För att göra något användbart, i allmänhet behöver du sätta ihop olika material och överföra laddning eller värme eller ljus mellan dem, sa Eric Yue Ma, en postdoktor i laboratoriet hos SLAC/Stanford professor Tony Heinz och huvudförfattare till en rapport i Vetenskapens framsteg .

"Detta öppnar upp ett nytt sätt att mäta hur laddningen - i det här fallet, elektroner och hål – rör sig över det abrupta gränssnittet mellan två material, " sa han. "Det gäller inte bara för lagermaterial. Till exempel, den kan också användas för att titta på elektroner som flyter mellan en fast yta och molekyler som är fästa vid den, eller ens, i princip, mellan en vätska och en fast substans."

För kort, för snabba – eller var de?

Materialen som används i detta experiment är dikalkogenider av övergångsmetall, eller TMDCs – en framväxande klass av halvledande material som består av lager bara några få atomer tjocka. Det har skett en explosion av intresse för TMDC under de senaste åren när forskare utforskar deras grundläggande egenskaper och potentiella användningsområden inom nanoelektronik och fotonik.

När två typer av TMDC staplas i omväxlande lager, elektroner kan flöda från ett lager till nästa på ett kontrollerbart sätt som människor skulle vilja utnyttja för olika tillämpningar.

Men tills nu, forskare som ville observera och studera att flödet bara hade kunnat göra det indirekt, genom att sondera materialet före och efter att elektronerna hade rört sig. De inblandade avstånden var alldeles för korta, och elektronen går för fort, för dagens instrument att fånga upp laddningsflödet direkt.

Det var åtminstone vad de trodde.

Maxwell leder vägen

Enligt en berömd uppsättning ekvationer uppkallad efter fysikern James Clerk Maxwell, strömpulser avger elektromagnetiska vågor, som kan variera från radiovågor och mikrovågor till synligt ljus och röntgenstrålar. I detta fall, teamet insåg att en elektrons resa från ett TMDC-lager till ett annat borde generera blips av terahertzvågor – som faller mellan mikrovågor och infrarött ljus på det elektromagnetiska spektrumet – och att dessa blips kunde upptäckas med dagens toppmoderna verktyg.

"Folk hade säkert tänkt på det här förut, men avfärdade idén eftersom de trodde att det inte fanns något sätt att mäta strömmen från elektroner som färdades en så liten sträcka i en så liten mängd material, " sa mamma. "Men om du gör en beräkning på baksidan av kuvertet, du ser att om en ström verkligen är så snabb bör du kunna mäta det emitterade ljuset, så vi bara försökte."

Knuffar från en laser

Forskarna, alla utredare med Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) vid SLAC, testade sin idé på ett TMDC-material tillverkat av molybdendisulfid och volframdisulfid.

Arbetar med SLAC/Stanford Professor Aaron Lindenberg, Ma och andra postdoc Burak Guzelturk träffade materialet med ultrakorta pulser av optiskt laserljus för att få elektronerna att röra sig och registrerade terahertzvågorna de avgav med en teknik som kallas tidsdomän terahertz emissionsspektroskopi. Dessa mätningar avslöjade inte bara hur långt och snabbt den elektriska strömmen färdades mellan lagren, mamma sa, men också riktningen den färdades i. När samma två material staplades i omvänd ordning, strömmen flöt på exakt samma sätt men i motsatt riktning.

"Med demonstrationen av denna nya teknik, många spännande problem kan nu lösas, sa Heinz, som ledde lagets utredning. "Till exempel, att rotera ett av de två kristallskikten i förhållande till det andra är känt för att dramatiskt förändra de elektroniska och optiska egenskaperna hos de kombinerade skikten. Denna metod kommer att tillåta oss att direkt följa elektronernas snabba rörelse från ett lager till det andra och se hur denna rörelse påverkas av atomernas relativa placering."