Наконечник для визуализации сканирующего туннельного микроскопа с временным разрешением фиксирует коллективное движение электронов в материалах с помощью сверхбыстрых терагерцовых импульсов.
Автор: Шаосян Шэн, Университет Штутгарта (FMQ)

Физики из Штутгартского университета под руководством профессора Себастьяна Лота разрабатывают квантовую микроскопию, которая впервые позволяет им регистрировать движение электронов на атомном уровне с чрезвычайно высоким пространственным и временным разрешением.

Их метод имеет потенциал, позволяющий ученым разрабатывать материалы гораздо более целенаправленно, чем раньше. Исследователи опубликовали свои выводы в Nature Physics.

«С помощью разработанного нами метода мы можем сделать видимыми вещи, которые никто раньше не видел», — говорит профессор Лот, управляющий директор Института функциональной материи и квантовых технологий (FMQ) в Университете Штутгарта. «Это позволяет решить вопросы о движении электронов в твердых телах, которые оставались без ответа с 1980-х годов». Выводы группы Лота также имеют большое практическое значение для разработки новых материалов.

Крошечные изменения с макроскопическими последствиями

В металлах, изоляторах и полупроводниках физический мир прост. Если изменить несколько атомов на атомном уровне, макроскопические свойства останутся неизменными. Например, металлы, измененные таким образом, по-прежнему будут электропроводящими, тогда как изоляторы — нет.

Однако ситуация иная в более продвинутых материалах, которые можно получить только в лабораторных условиях — минимальные изменения на атомном уровне вызывают новое макроскопическое поведение. Например, некоторые из этих материалов внезапно превращаются из изоляторов в сверхпроводники, т. е. проводят электричество без потери тепла.

Эти изменения могут происходить чрезвычайно быстро, в течение пикосекунд, поскольку они влияют на движение электронов через материал непосредственно в атомном масштабе. Пикосекунда чрезвычайно коротка, всего лишь триллионная часть секунды. Она так же пропорциональна морганию глаза, как моргание глаза периоду более 3000 лет.

Регистрация движения коллектива электронов

Рабочая группа Лота теперь нашла способ наблюдать поведение этих материалов во время таких малых изменений на атомном уровне. В частности, ученые изучили материал, состоящий из элементов ниобия и селена, в котором один эффект можно наблюдать относительно ненарушенным образом: коллективное движение электронов в волне плотности заряда.

Лот и его команда исследовали, как одна примесь может остановить это коллективное движение. Для этого исследователи из Штутгарта применяют к материалу чрезвычайно короткий электрический импульс, который длится всего одну пикосекунду. Волна плотности заряда прижимается к примеси и посылает нанометровые искажения в коллектив электронов, которые вызывают очень сложное движение электронов в материале на короткое время.

Важная предварительная работа для представленных сейчас результатов была проделана в Институте исследований твердого тела Общества Макса Планка (MPI FKF) в Штутгарте и в Институте структуры и динамики материи Общества Макса Планка (MPSD) в Гамбурге, где Лот проводил исследования до своего назначения в Штутгартский университет.

Разработка материалов с желаемыми свойствами

«Если мы сможем понять, как останавливается движение коллектива электронов, то мы также сможем разрабатывать материалы с желаемыми свойствами более целенаправленно», — объясняет Лот. Или, говоря другими словами: поскольку не существует идеальных материалов без примесей, разработанный метод микроскопии помогает понять, как должны располагаться примеси, чтобы достичь желаемого технического эффекта.

«Проектирование на атомном уровне напрямую влияет на макроскопические свойства материала», — говорит Лот. Эффект может быть использован, например, для сверхбыстрых коммутационных материалов в будущих датчиках или электронных компонентах.

Эксперимент, повторенный 41 миллион раз в секунду

«Существуют устоявшиеся методы визуализации отдельных атомов или их движений», — объясняет Лот. «Но с помощью этих методов можно достичь либо высокого пространственного разрешения, либо высокого временного разрешения».

Чтобы новый штутгартский микроскоп соответствовал обоим требованиям, физик и его команда объединили сканирующий туннельный микроскоп, который разделяет материалы на атомном уровне, с методом сверхбыстрой спектроскопии, известным как спектроскопия с зондированием и накачкой.

Для проведения необходимых измерений лабораторная установка должна быть очень хорошо экранирована. Вибрации, шум и движение воздуха вредны, как и колебания температуры и влажности в помещении. «Это происходит потому, что мы измеряем очень слабые сигналы, которые в противном случае легко теряются в фоновом шуме », — отмечает Лот.

Кроме того, команде приходится очень часто повторять эти измерения, чтобы получить значимые результаты. Исследователи смогли оптимизировать свой микроскоп таким образом, что он повторяет эксперимент 41 миллион раз в секунду и, таким образом, достигает особенно высокого качества сигнала. «Только нам удалось сделать это до сих пор», — говорит Лот.