Рис. 1 (а) Принципиальная схема сверхбыстрой эмиссии электронов из углеродных нанотрубок. (b) Результаты расчета TDDFT показывают, что барьер обедненного слоя может быть сформирован на кончике углеродной нанотрубки. 1 кредит

Исследование динамических процессов в экстремальных пространственно-временных масштабах имеет решающее значение для научно-технического прогресса. Это особенно верно в микроскопической сфере, где большинство движений сверхбыстры, особенно в атомном пространственном масштабе, поскольку сверхбыстрые процессы могут достигать продолжительности в несколько фемтосекунд или даже аттосекунд.

По сравнению со сверхбыстрыми световыми импульсами сверхбыстрые электронные импульсы обеспечивают как высокое временное, так и пространственное разрешение , что делает их многообещающей сверхбыстрой технологией определения характеристик следующего поколения, которая потенциально может превзойти аттосекундные световые импульсы.

Монохроматичность источника электронов жизненно важна для достижения высокого пространственного разрешения. Однако сильное взаимодействие между электронами и оптическим полем приводит к тому, что возбужденные электроны занимают широкий диапазон энергетических уровней. Это приводит к значительной дисперсии энергии (>600 мэВ) в источниках сверхбыстрых электронов, основанных на традиционных металлических наноструктурах.

Чтобы решить эту проблему, команда профессора Дая в своем предыдущем исследовании предложила использовать углеродные нанотрубки в качестве источников сверхбыстрых электронов, заменив традиционные металлические наноструктуры.

Рис. 2 (а) Экспериментальное наблюдение отрицательного дифференциального сопротивления при сверхбыстрой электронной эмиссии. (b) Зависимость межпикового расстояния пика отрицательного сопротивления от температуры. 1 кредит

В эксперименте учёные использовали одностенные углеродные нанотрубки диаметром примерно 2 нм в качестве эмиттеров и добились сверхбыстрой резонансно-туннельной одноэлектронной эмиссии.

Они использовали для моделирования нестационарную теорию функционала плотности (TDDFT) и обнаружили, что между крышкой углеродной нанотрубки и ее телом может образовываться барьер из обедненного слоя. Это, в сочетании с вакуумным барьером, образует структуру двойного барьера, позволяющую нульмерной шапке служить электронной резонансной полостью, поддерживая как эффекты резонансного туннелирования, так и эффекты кулоновской блокады.

Впоследствии они точно настроили структуру двойного барьера на кончике, контролируя концентрацию носителей посредством управления локальной температурой, и наблюдали явление индуцированного лазером отрицательного дифференциального сопротивления (NDR), доказывая эффект резонансного туннелирования.

Регулируемое пиковое расстояние пика отрицательного сопротивления также предполагает наличие перенормировки уровня энергии в шапке, поддерживая механизм одноэлектронной эмиссии, управляемый кулоновской блокадой.

Рис. 3 (а) Явление расщепления пика отрицательного сопротивления. (b) Используя расчет TDDFT, значение энергии, соответствующее расщеплению, оценивается примерно в 110 мэВ (что соответствует смещению примерно 11,6 В), а разброс энергии эмиссии электронов оценивается примерно в 57 мэВ (что соответствует смещению примерно 6 В). 1 кредит

Кроме того, они наблюдали явление расщепления пика NDR. Моделирование TDDFT подтвердило, что это явление связано со штарковским расщеплением двух вырожденных квантовых состояний, вызванным совместным воздействием статического поля и лазерного поля. Это указывает на то, что уровни квантовой энергии можно дополнительно настроить для достижения более контролируемой эмиссии электронов.

Оценив степень расщепления энергетических уровней и объединив ее с расчетами из первых принципов, зависящими от времени, было подсчитано, что разброс энергии эмиссии электронов составил примерно 57 мэВ, что на порядок ниже, чем у металлов.

«Используя уникальную атомную структуру углеродных нанотрубок, можно создать сверхбыстрый источник когерентных электронов, близкий к пределу принципа неопределенности времени и энергии», — сказал профессор Дай. «Это может позволить электронным зондам иметь субангстремное пространственное разрешение и фемтосекундное временное разрешение, что имеет большое значение для многих научных и технологических приложений, включая аттосекундную электронную микроскопию».