En gemensam forskargrupp ledd av professor Dai Qing och prof. Li Chi från National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) har visat den koherenta ultrasnabba fotoemissionen från en enda kvantiserad energinivå av ett kol nanorör. Studien publicerades i Science Advances den 12 oktober.
Att utforska dynamiska processer på extrema spatiotemporala skalor är avgörande för vetenskapliga och tekniska framsteg. Detta är särskilt sant i det mikroskopiska området, där de flesta rörelser är ultrasnabba, särskilt på atomär rumslig skala, eftersom ultrasnabba processer kan nå varaktigheter på några femtosekunder eller till och med attosekunder.
Jämfört med ultrasnabba ljuspulser erbjuder ultrasnabba elektronpulser både hög temporal och rumslig upplösning, vilket gör dem till en lovande nästa generations ultrasnabb karakteriseringsteknologi som potentiellt kan överstiga attosekundens ljuspulser.
Monokromaticiteten hos elektronkällan är avgörande för att uppnå hög rumslig upplösning. Den starka interaktionen mellan elektroner och det optiska fältet resulterar dock i att exciterade elektroner upptar ett brett spektrum av energinivåer. Detta leder till betydande energispridning (>600meV) i ultrasnabba elektronkällor som är beroende av traditionella metallnanostrukturer.
För att ta itu med denna fråga föreslog Prof. Dais team användning av kolnanorör som ultrasnabba elektronkällmaterial, vilket ersatte konventionella metallnanostrukturer i sin tidigare studie.
I den aktuella studien använde forskarna enkelväggiga kolnanorör med en diameter på cirka 2 nm som utsändare, vilket uppnådde ultrasnabb resonanstunnling av enelektronemission.
De använde Time-Dependent Density Functional Theory (TDDFT) för simulering och upptäckte att en utarmningsbarriär kunde bildas mellan kolnanorörets lock och dess kropp. Detta, tillsammans med vakuumbarriären, bildar en dubbel barriärstruktur, vilket gör det möjligt för den nolldimensionella kåpan att fungera som en elektronresonanshålighet, som stödjer både resonanstunnlar och Coulomb-blockadeffekter.
Därefter finjusterade de den dubbla barriärstrukturen i spetsen genom att kontrollera bärarkoncentrationen genom att använda den lokala temperaturen, och observerade fenomenet laserinducerad negativ differentialresistens (NDR), vilket bevisade effekten av resonant tunneling.
Det justerbara toppavståndet för den negativa motståndstoppen antydde också närvaron av energinivårenormalisering i locket, vilket stöder den Coulomb blockadkontrollerade enelektronemissionsmekanismen.
Dessutom observerade de splittringsfenomenet med NDR-toppen. TDDFT-simuleringar bekräftade att detta fenomen beror på Stark-delning av två degenererade kvanttillstånd orsakade av den kombinerade effekten av det statiska fältet och laserfältet. Detta indikerar att kvantenerginivåer kan finjusteras ytterligare för att uppnå mer kontrollerad elektronemission.
Genom att bedöma graden av energinivådelning och kombinera den med tidsberoende beräkningar av de första principerna, uppskattades det att spridningen av elektronemissionsenergi var cirka 57meV, vilket är en storleksordning lägre än för metaller.
"Genom att använda den unika atomära strukturen hos kolnanorör är det möjligt att uppnå en ultrasnabb koherent elektronkälla nära gränsen för tids-energiosäkerhetsprincipen", säger Prof. Dai. "Detta skulle kunna göra det möjligt för elektronsonder att ha rumslig upplösning under ångström och femtosekundstidsupplösning, vilket är av stor betydelse för många vetenskapliga och tekniska tillämpningar, inklusive attosekundelektronmikroskopi."
Mer information: Chi Li et al, Koherent ultrasnabb fotoemission från ett enda kvantiserat tillstånd av en endimensionell emitter, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adf4170
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
