Ученые с факультета естественных и прикладных наук Университета Цукубы создали "моментальные снимки" сканирующей туннельной микроскопии (STM) с задержкой между кадрами намного короче, чем это было возможно ранее. Используя сверхбыстрые лазерные методы, они улучшили временное разрешение с пикосекунд до десятков фемтосекунд, что может значительно расширить возможности ученых в области конденсированных сред для изучения чрезвычайно быстрых процессов.
Одна пикосекунда, которая составляет всего лишь триллионную долю секунды, намного короче, чем мгновение ока. Для большинства приложений кинокамера, способная записывать кадры за пикосекунду, работала бы намного быстрее, чем это необходимо. Однако для ученых, пытающихся понять сверхбыструю динамику материалов с использованием STM, такую как перегруппировка атомов во время фазового перехода или кратковременное возбуждение электронов, это может быть мучительно медленным.
Теперь команда исследователей из Университета Цукубы разработала систему STM, основанную на методе накачки-зондирования, которая может использоваться в широком диапазоне времени задержки, составляющем всего 30 фемтосекунд. В этом методе для возбуждения материала используется лазер "накачки", за которым быстро следует лазер "зондирования". Время задержки регулируется подвижными зеркалами, которые изменяют расстояние, которое должен пройти зондирующий луч. При скорости света это приводит к задержке порядка фемтосекунд. Этот временной интервал необходим для получения более полного понимания поведения материалов. "В конденсированных средах динамика часто не является пространственно однородной, а скорее сильно зависит от локальных структур, таких как дефекты на атомном уровне, которые могут изменяться за очень короткие промежутки времени", - говорит старший автор профессор Хидеми Шигекава.
В новой установке зондирующий луч активирует схему STM для записи данных микроскопии. В качестве иллюстрации исследователи изучили фотоиндуцированную сверхбыструю неравновесную динамику теллурида молибдена (MoTe2). Они смогли измерить динамику электронов в диапазоне времени до одной пикосекунды и обнаружили, что они согласуются с теоретическими предсказаниями перенормировки зонной структуры. Изображения STM формировали "моментальные снимки", на которых можно было разрешать отдельные атомы и отслеживать эффекты возбуждения.
"Такой уровень увеличения достигался и раньше, но наша работа представляет собой значительный прогресс во временном разрешении, доступном для сканирующих электронных микроскопов", - говорит ведущий автор профессор Юсуке Арашида. Исследователи ожидают, что эти системы могут помочь в широком спектре применений в материаловедении, таких как разработка новых солнечных элементов или наноразмерных электронных устройств.
Это исследование получило финансовую поддержку в виде грантов в помощь научным исследованиям (17H06088, 20H00341, 20H05662) от Японского общества содействия науке.
Комментарии