Forskare från fakulteten för rena och tillämpade vetenskaper vid University of Tsukuba skapade scanning tunneling microscopy (STM) "snapshots" med en fördröjning mellan bildrutor mycket kortare än tidigare möjligt. Genom att använda ultrasnabba lasermetoder förbättrade de tidsupplösningen från pikosekunder till tiotals femtosekunder, vilket avsevärt kan förbättra förmågan hos forskare inom kondenserad materia att studera extremt snabba processer.

En pikosekund, som bara är en biljondels sekund, är mycket kortare än ett ögonblick. För de flesta applikationer skulle en filmkamera som kunde spela in bilder på en pikosekund vara mycket snabbare än nödvändigt. Men för forskare som försöker förstå den ultrasnabba dynamiken hos material som använder STM, såsom omarrangemang av atomer under en fasövergång eller kort excitation av elektroner, kan det dock vara smärtsamt långsamt.

Nu har ett team av forskare vid University of Tsukuba designat ett STM-system baserat på en pump-sondmetod som kan användas över ett brett spektrum av fördröjningstider så korta som 30 femtosekunder. I denna teknik används en pumplaser för att excitera materialet, snabbt följt av en sondlaser. Fördröjningstiden styrs av rörliga speglar som ändrar avståndet som sondstrålen måste färdas.

Med ljusets hastighet översätts detta till fördröjningstider i storleksordningen femtosekunder. Denna tidsskala behövs för att få en mer fullständig förståelse av materialens beteende. "I kondenserad materia är dynamiken ofta inte spatialt enhetlig, utan snarare starkt påverkad av lokala strukturer som atomära defekter, som kan förändras över mycket korta tidsskalor", säger seniorförfattaren professor Hidemi Shigekawa.

I den nya uppsättningen aktiverar sondstrålen STM-kretsen för att registrera mikroskopidata. Som en illustration studerade forskarna den fotoinducerade ultrasnabba icke-jämviktsdynamiken hos molybdentellurid (MoTe2). De kunde mäta elektrondynamik över tidsintervallet upp till en pikosekund och fann att de överensstämde med de teoretiska förutsägelserna om åternormalisering av bandstrukturen. STM-bilderna bildade ögonblicksbilder där enskilda atomer kunde lösas upp och effekterna av excitationen kunde följas.

"Denna nivå av förstoring har uppnåtts tidigare, men vårt arbete representerar ett betydande framsteg i den tidsmässiga upplösningen som är tillgänglig för svepelektronmikroskop," säger huvudförfattaren professor Yusuke Arashida. Forskarna räknar med att dessa system kan hjälpa till i ett brett spektrum av materialvetenskapliga tillämpningar, som att designa nya solceller eller elektroniska enheter i nanoskala.

Studien publiceras i ACS Photonics . + Utforska vidare

Ultrasnabb multiplexerad koherent diffraktionsbildbehandlingsmetod för enkelbild