«Мы можем существенно увеличить масштаб, чтобы наблюдать очень быстрые процессы с атомарной точностью и в сверхбыстрых временных масштабах», — говорит Ведран Джелич, аспирант Университета Альберты и ведущий автор нового исследования. «THz-STM открывает нам новое окно в наномир, позволяя нам исследовать сверхбыстрые процессы в атомном масштабе. Мы говорим о пикосекунде или миллионной миллионной доли секунды. Это то, чего никогда не делали раньше».
Джелич и его сотрудники использовали свой сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для получения изображений атомов кремния путем растрового сканирования очень острого наконечника по поверхности и регистрации высоты наконечника, отслеживающего атомные гофры на поверхности. Хотя оригинальный СТМ может измерять и управлять отдельными атомами — за что его создатели получили Нобелевскую премию в 1986 году — он делает это с использованием проводной электроники и, в конечном итоге, имеет ограниченную скорость и, следовательно, временное разрешение.Современные лазеры производят очень короткие световые импульсы, которые могут измерять целый ряд сверхбыстрых процессов, но обычно в масштабах длины, ограниченной длиной волны света в сотни нанометров.
Много усилий было затрачено на решение проблем, связанных с сочетанием сверхбыстрых лазеров и сверхмалой микроскопии. Ученые из Университета Альберты решили эти проблемы, работая в уникальном терагерцовом частотном диапазоне электромагнитного спектра, который позволяет реализовать беспроводную связь.
Обычно для работы СТМ требуется приложенное напряжение, но Джелич и его сотрудники могут управлять своим микроскопом, используя вместо этого световые импульсы. Эти импульсы происходят в очень быстрых временных масштабах, что означает, что микроскоп может видеть действительно быстрые события.Благодаря включению THz-STM в камеру сверхвысокого вакуума, свободную от каких-либо внешних загрязнений или вибраций, они могут точно позиционировать свой наконечник и поддерживать идеально чистую поверхность, одновременно отображая сверхбыструю динамику атомов на поверхностях.
Их следующий шаг — сотрудничать с коллегами-материаловедами и создавать изображения множества новых поверхностей в наномасштабе, которые однажды могут революционизировать скорость и эффективность современных технологий, от солнечных батарей до компьютерной обработки.«Терагерцовая сканирующая туннельная микроскопия открывает дверь в неизведанный режим в физике», — заключает Джелич, который учится в лаборатории сверхбыстрых наноструктур вместе с профессором Университета Альберты Фрэнком Хегманном, мировым экспертом в области сверхбыстрых терагерцовых частот и нанофизики.