Разработана сканирующая туннельная микроскопия с более высокой частотой кадров
Ученые с факультета прикладных наук Университета Цукубы создали «моментальные снимки» с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) с задержкой между кадрами, намного меньшей, чем это было возможно ранее. Используя сверхбыстрые лазерные методы, они улучшили временное разрешение с пикосекунд до десятков фемтосекунд, что может значительно повысить способность ученых, занимающихся изучением конденсированных сред, изучать чрезвычайно быстрые процессы. Исследование опубликовано в ACS Photonics.
Графическая абстракция. Авторы и права: ACS Photonics (2022 г.). DOI: 10.1021/acsphotonics.2c00995
Одна пикосекунда, которая составляет всего триллионную долю секунды, намного короче, чем мгновение ока. Для большинства приложений кинокамера , которая могла бы записывать кадры за пикосекунды, была бы намного быстрее, чем необходимо. Однако для ученых, пытающихся понять сверхбыструю динамику материалов с помощью СТМ, такую как перегруппировка атомов во время фазового перехода или кратковременное возбуждение электронов, это может оказаться мучительно медленным.
Теперь группа исследователей из Университета Цукубы разработала систему СТМ, основанную на методе накачки-зонда, которую можно использовать в широком диапазоне времени задержки, вплоть до 30 фемтосекунд. В этом методе для возбуждения материала используется лазер накачки, за которым быстро следует зондирующий лазер. Время задержки регулируется подвижными зеркалами, которые изменяют расстояние, что должен пройти зондирующий луч.
При скорости света время задержки составляет порядка фемтосекунд. Эта временная шкала необходима, чтобы получить более полное представление о поведении материалов. «В конденсированных средах динамика часто пространственно неоднородна, а скорее сильно зависит от локальных структур, таких как дефекты на атомном уровне, которые могут меняться за очень короткие промежутки времени», — говорит старший автор профессор Хидэми Шигекава.
В новой установке зондирующий луч активирует схему СТМ для записи данных микроскопии. В качестве иллюстрации исследователи изучили фотоиндуцированную сверхбыструю неравновесную динамику теллурида молибдена (MoTe2). Они смогли измерить динамику электронов во временном диапазоне до одной пикосекунды и обнаружили, что они согласуются с теоретическими предсказаниями перенормировки зонной структуры. Изображения СТМ формировали моментальные снимки, на которых можно было различить отдельные атомы и проследить эффекты возбуждения.
«Этот уровень увеличения уже достигался ранее, но наша работа представляет собой значительный прогресс во временном разрешении, доступном для сканирующих электронных микроскопов», — говорит ведущий автор профессор Юсуке Арасида. Исследователи ожидают, что эти системы могут помочь в широком спектре приложений в области материаловедения, таких как разработка новых солнечных элементов или электронных устройств наноразмера.
