Ett team av fysiker från Tyskland, .S. och Storbritannien lyckades observera elektronernas rörelse från ett atomärt tunt lager till ett intilliggande lager med rumslig upplösning i nanoskala. Det nya beröringsfria nanoskopikonceptet, som visar på stor potential för utredningar om att genomföra, icke-ledande och supraledande material, kommer att introduceras i den nya volymen av vetenskapstidskriften Naturfotonik .

Nanoteknik låter som science fiction, men är redan en integrerad del av modern elektronik i datorer, smarta telefoner och bilar. Storleken på transistorer och dioder har nått nanoskalan, motsvarande endast en miljondels millimeter. Detta gör att konventionella optiska mikroskop inte längre räcker till för att inspektera dessa nanostrukturer. Att utveckla innovativ framtida nanoteknik, forskare har ersatt det optiska mikroskopet med mycket mer sofistikerade koncept, såsom elektron- eller sveptunnelmikroskopi. Dock, dessa tekniker använder elektroner istället för ljus, som kan påverka egenskaperna hos enheterna i nanoskala. Vidare, dessa viktiga mättekniker är begränsade till elektriskt ledande prover.

Ett team av fysiker runt Rupert Huber och Jaroslav Fabian vid Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) vid Universität Regensburg, tillsammans med kollegorna Tyler Cocker från Michigan State University, U.S., och Jessica Boland från University of Manchester, STORBRITANNIEN., har introducerat en ny teknik som kan lösa elektronrörelser på nanoskala utan elektrisk kontakt. Ännu bättre, den nya metoden når också femtosekunders tidsupplösning på en kvadrilliondels sekund. Att kombinera dessa extrema rumsliga och tidsmässiga upplösningar gör inspelningen av slowmotion-filmer med ultrasnabb elektrondynamik på nanoskala möjlig.

Konceptet bakom tekniken liknar kontaktlösa betalningstekniker. Dessa betalningsmetoder är baserade på etablerade frekvenser och protokoll på makroskala, såsom närfältskommunikation (NFC). Här, forskarna överförde denna idé ner till nanoskalan genom att använda en vass metallisk spets som en nanoantenn, som förs nära det undersökta provet. I motsats till etablerade tekniker där spetsar driver en ström genom provet, det nya konceptet använder ett svagt elektriskt växelfält för att skanna provet kontaktlöst. Frekvensen som används i experimenten förstärks till terahertz-spektralområdet, cirka 100, 000 gånger högre än den som används i NFC-skannrar. Små förändringar i dessa svaga elektriska fält möjliggör exakta slutsatser om den lokala elektronrörelsen i materialet. Att kombinera mätningarna med en realistisk kvantteori visar att konceptet till och med tillåter kvantitativa resultat. För att uppnå hög tidsupplösning, fysikerna använde extremt korta ljuspulser för att spela in skarpa ögonblicksbilder av elektronernas rörelse över nanometeravstånd.

Teamet valde ett urval av en ny materialklass som kallas övergångsmetalldikalkogenider, som kan tillverkas i atomärt tunna lager, som deras första testprov. När dessa ark staplas under fritt valda vinklar, nya konstgjorda fasta ämnen dyker upp med nya materialegenskaper, som är framträdande undersökta i Collaborative Research Center 1277 i Regensburg. Provet som studeras gjordes av två olika atomärt tunna dikalkogenider för att testa kärnan i en futuristisk solcell. Lysande grönt ljus på strukturen gör att laddningsbärare dyker upp som rör sig i den ena eller andra riktningen beroende på deras polaritet - grundprincipen för en solcell, som omvandlar ljus till elektricitet. Den ultrasnabba laddningsseparationen observerades av forskarna i rum och tid med nanometerprecision. Till deras förvåning, Laddningsseparationen fungerar till och med tillförlitligt när dikalkogenidskikten ligger över små föroreningar som en minimatta – viktiga insikter för att optimera dessa nya material för framtida användning i solceller eller datorchips.

"Vi kan inte vänta med att spela in ytterligare fascinerande laddningsöverföringsprocesser inom isolering, ledande och supraledande material, säger Markus Plankl, publikationens första författare.

Postdoktorn och medförfattaren Thomas Siday säger, "Insikter om den ultrasnabba transporten på relevant längd och tidsskalor kommer att hjälpa oss att förstå hur tunnling formar funktionaliteterna i ett brett utbud av system för kondenserad materia."