Ett schema som representerar en mikroskopimätning där en puls av laserljus (röd kurva) lyser upp en atomärt vass nål (överst) placerad ovanför provytan. Nanobandet av grafen sitter ovanpå ett guldsubstrat. Experimentella data visas i blått och avslöjar fördelningen av elektroner ovanför nanorbandet. Kredit:Spencer Ammerman
När fysikern Tyler Cocker började på Michigan State University 2018 hade han ett tydligt mål:bygga ett kraftfullt mikroskop som skulle bli det första i sitt slag i USA.
Efter att ha åstadkommit det var det dags att sätta mikroskopet igång.
"Vi visste att vi var tvungna att göra något användbart", säger Cocker, Jerry Cowen begåvad ordförande i experimentell fysik vid College of Natural Sciences institution för fysik och astronomi. "Vi har det finaste mikroskopet i landet. Vi borde använda detta till vår fördel."
Med sitt mikroskop använder Cockers team ljus och elektroner för att studera material med en oöverträffad intimitet och upplösning. Forskarna kan se atomer och mäta kvantegenskaper i prover som kan bli byggstenarna i kvantdatorer och nästa generations solceller.
Teamet gav världen den första glimten av dessa förmågor den 23 november i tidskriften Nature Communications , ta ögonblicksbilder av hur elektroner är fördelade i så kallade grafen nanoband.
"Detta är en av de första demonstrationerna att den här typen av mikroskop kan berätta något nytt," sa Cocker. "Vi är väldigt glada och stolta över arbetet. Vi har också alla dessa idéer i våra huvuden om vart vi vill gå med det."
Cockers team är en del av ett samarbete som arbetar med att utveckla dessa nanoband till qubits, uttalade "q-bits", för kvantdatorer. Samarbetet spänner över fem institutioner och arbetet stöds av ett anslag från Office of Naval Research som kommer att ge mer än 1 miljon dollar till MSU:s bidrag.
För Nature Communications studie, samarbetade Cocker med forskargruppen Roman Fasel, en professor vid de schweiziska federala laboratorierna för materialvetenskap och teknologi. Fasel uppfann vad som är känt som bottom-up-tillväxtmetoden för grafen nanoband. Fasels labb har syntetiserat molekyler som med tillsats av värme kan bygga upp sig själva till band med en förutbestämd form och storlek.
"Du bakar i huvudsak molekylerna som en kaka," sa Cocker. "Då är egenskaperna för bandet du slutar med fördefinierade. Du vet vad du får innan du börjar."
En illustration visar grafen nanoband ovanpå ett guldsubstrat. Experimentella data avslöjade av Michigan State-mikroskopet visas i blått ovanför banden. Kredit:Spencer Ammerman
Det schweiziska labbet skickade molekylerna till MSU, där Cockers lab odlade precisionsbanden och sedan undersökte dem med sitt mikroskop. Grunden för instrumentet är det som kallas ett scanning tunneling microscope, eller STM, som för en mycket vass spets eller sond extremt nära det prov som studeras utan att röra det.
Även om spetsen och provet inte är i kontakt, kan elektroner fortfarande hoppa eller tunnla från spetsen till provet. Genom att registrera hur elektrontunneln – till exempel hur många elektroner går i tunneln och hur snabbt – bygger mikroskopet högupplösta bilder av provet och dess egenskaper.
Vad Cocker och hans team har gjort är att koppla denna konventionella STM med extremt korta pulser av laserljus, vilket låter dem föra STM:s spets ännu närmare provet. Som ett resultat kan de extrahera mer detaljerad information från ett prov än någonsin tidigare.
"Det är nästan som att vi zoomar in genom att fysiskt föra spetsen närmare," sa han.
Teamet kunde sedan karakterisera olika nanoband med atomupplösning och avslöja oöverträffad tydlig information om hur elektroner är fördelade inom strukturen.
Förutom en publikation har detta verk också vunnit utmärkelser för sina spartanska författare. Postdoktor Vedran Jelic vann ett pris för sin affisch om forskningen vid en nyligen genomförd workshop i Tyskland. Doktorandforskaren Spencer Ammerman vann ett pris för att ha presenterat arbetet i november förra året vid en konferens som arrangerades av Infrared, Millimeter och Terahertz Wave Society, som även tilldelade Cocker sitt Young Scientist Award 2021.
Lika glada som Cocker och hans team är över den nya tidningen och dessa utmärkelser, ser de fram emot vad som händer härnäst. Till exempel arbetar teamet med att gå från stillbilder till filmer av prover, och visar hur elektroner rör sig i banden när nanomaterialet absorberar ljus.
Forskarna bygger också ett andra mikroskop med stöd från ett anslag från försvarsdepartementet som beviljades i juni, vilket innebär att de enda två mikroskopen som detta i USA båda kommer att finnas på MSU.
"Det här papper är väldigt spännande, men det är också bara det första steget," sa Cocker. "Vi tror att det kommer att öppna upp många möjligheter." + Utforska vidare
