Desde principios de la década de 2010, El sondeo ultrarrápido de materiales a una resolución de nivel atómico ha sido posible mediante microscopios de túnel de barrido de terahercios (THz-STM). Pero estos dispositivos no pueden detectar la disipación de energía que ocurre durante eventos como cuando los fotones se emiten a través del proceso de recombinación de un par electrón-agujero en un diodo emisor de luz (LED). Sin embargo, una nueva técnica permite el seguimiento de esa dinámica de energía junto con THz-STM, abriendo nuevas vías de investigación para la ciencia y la tecnología a nanoescala.

Investigadores en Japón han desarrollado una técnica de microscopía que combina la capacidad de manipular el movimiento de los electrones en una escala de tiempo de femtosegundos y de detectar un fotón con una resolución subnanométrica. El nuevo método ofrece una nueva plataforma para que los científicos lleven a cabo experimentos relacionados con la detección y el control de sistemas cuánticos. abriendo nuevas puertas para la ciencia a nanoescala y el desarrollo de nanotecnologías.

El equipo, está formado por científicos de la Universidad Nacional de Yokohama y RIKEN, publicó detalles de su técnica en la revista Fotónica ACS el 27 de enero.

El microscopio de túnel de barrido (STM) se desarrolló en 1981 como un instrumento que produce imágenes de superficies a nivel atómico. La técnica depende del fenómeno de los túneles cuánticos, en el que una partícula "hace un túnel" a través de una barrera impenetrable. La superficie que está siendo investigada por el microscopio es detectada por una punta conductora muy fina y afilada. Cuando la punta se acerca a la superficie, un voltaje aplicado a través de la punta y la superficie permite que los electrones atraviesen el vacío entre ellos. La corriente producida por este túnel, a su vez, proporciona información sobre el objeto que luego puede traducirse en una imagen visual.

STM dio un gran salto adelante a principios de la década de 2010 con la técnica THz-STM, que utiliza un pulso de campo eléctrico ultrarrápido en la punta de la sonda de exploración de un STM para manipular electrones en una escala de tiempo de menos de un picosegundo (una billonésima de segundo).

Esto es ideal para el sondeo ultrarrápido de materiales a una resolución de nivel atómico, pero no puede detectar la disipación de energía que ocurre durante las conversiones cuánticas. Esto incluye, por ejemplo, conversiones electrón-fotón, que es lo que sucede cuando una inyección de electrón, o agujero, golpea un LED, soltando exactamente un fotón dentro del material semiconductor LED. Sería muy útil combinar la resolución ultrarrápida a nivel atómico de STM con la posibilidad de rastrear dicha dinámica de difusión de energía.

Una tecnología que de hecho puede rastrear esa dinámica, llamada espectroscopia de luminiscencia de túnel de barrido (STL), mide los fotones convertidos por los electrones tunelizados y se ha desarrollado en paralelo a THz-STM. STL ofrece abundante información sobre la energía fotónica, intensidad, polarización y la eficiencia de su emisión, desencadenado por la tunelización de electrones.

"Pero THz-STM y STL nunca se habían combinado antes en una sola configuración, "dijo Jun Takeda de la Universidad Nacional de Yokohama, quien codirigió el estudio. "Así que juntamos las dos técnicas".

Se colocó una lente de tal manera que enfocara los pulsos de THz en la punta del STM. Los fotones producidos a partir de estos pulsos se recolectaron usando una segunda lente y se dirigieron a un detector de fotones. permitiendo la investigación deseada de la dinámica energética de las conversiones cuánticas que ocurren durante el sondeo ultrarrápido STM de materiales a nivel atómico.

Esto reveló una excitación ultrarrápida de plasmones (electrones de superficie) a un voltaje extremadamente alto.

"Esta excitación, a su vez, podría proporcionar una nueva plataforma única para la experimentación y exploración de interacciones luz-materia en una 'nanocavidad plasmónica', dice Ikufumi Katayama, quien también codirigió el estudio. La nanocavidad plasmónica es una estructura a escala nanométrica para atrapar la luz, pero eso involucraría a estos electrones de superficie.

El método de nanocavidades debería permitir la investigación de la dinámica energética resultante del túnel de electrones en semiconductores. y en otros sistemas moleculares en una escala de tiempo de incluso un femtosegundo, una billonésima de segundo, o la cantidad de tiempo que suele tardar la dinámica molecular, el movimiento físico de átomos o moléculas individuales, que se produzca. Esto debería permitir una mayor detección y control de los sistemas cuánticos, proporcionando conocimientos y avances novedosos en tecnología y ciencia a nanoescala.