Метод, основанный на использовании света, позволяет точно контролировать сверхбыстрый поток электронов в сканирующем туннельном микроскопе
Что потребуется, чтобы наблюдать за движением электрона в материале? Физикам необходимо увидеть отдельные атомы и зафиксировать движение электрона в невероятно короткие промежутки времени. Команда под руководством Техниона объединила эти две возможности в сканирующем туннельном микроскопе, используя тщательно сформированные лазерные импульсы для управления направлением потока электронов, сохраняя при этом пространственное разрешение на наномасштабном уровне. Исследование, проведенное под руководством Михаэля Крюгера с физического факультета Техниона и опубликованное в журнале Nature Photonics, основано на микроскопе с исключительно острым кончиком иглы. Когда кончик иглы подносится очень близко к поверхности, электроны могут пересекать зазор благодаря квантовому эффекту, называемому туннелированием. Возникающий в результате ток позволяет картировать мельчайшие особенности поверхности. До сих пор отслеживание быстрого движения электронов внутри этого крошечного зазора представляло собой серьезную проблему.
Рис. Сверхбыстрая СТМ, работающая на двухцветных лазерных импульсах. Источник: Nature Photonics (2026). DOI: 10.1038/s41566-026-02021-y
Учёные направили импульсы инфракрасного лазера в зазор между кончиком иглы и образцом. Каждый импульс содержал два цвета света. Изменяя их относительное время, исследователи изменяли форму световой волны и могли направлять электроны от кончика иглы к образцу или обратно в противоположном направлении. Экспериментаторы регулировали время импульса вместо того, чтобы постоянно включать и выключать лазер, что помогло отличить сверхбыстрый ток от шумовых сигналов, вызванных лазерным нагревом.
Сравнивая измерения с несколькими теоретическими моделями, физики смогли реконструировать импульсы тока длительностью 860 аттосекунд. Модели также показали, как световое поле помогает электрону преодолеть энергетический зазор: оно облегчает прохождение барьера, ускоряет электрон и направляет его к поверхности. Микроскоп сохранил боковое разрешение около двух нанометров и смог обнаружить изменения высоты поверхности меньше ангстрема, даже при работе при комнатной температуре и на воздухе.
Полученные результаты являются шагом к наблюдению за движением электронов в определенных местах материала по мере развития этого движения. Эта работа также может послужить основой для будущей электроники, в которой световые волны будут управлять токами в масштабах и со скоростями, превосходящими возможности современных устройств.
