Un equipo de investigación conjunto dirigido por el Prof. Dai Qing y el Prof. Li Chi del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología (NCNST) de la Academia de Ciencias de China (CAS) ha demostrado la fotoemisión ultrarrápida coherente a partir de un único nivel de energía cuantificado de un carbono. nanotubo. El estudio fue publicado en Science Advances el 12 de octubre.
Explorar procesos dinámicos en escalas espaciotemporales extremas es fundamental para los avances científicos y tecnológicos. Esto es particularmente cierto en el ámbito microscópico, donde la mayoría de los movimientos son ultrarrápidos, especialmente en la escala espacial atómica, ya que los procesos ultrarrápidos pueden alcanzar duraciones de unos pocos femtosegundos o incluso attosegundos.
En comparación con los pulsos de luz ultrarrápidos, los pulsos de electrones ultrarrápidos ofrecen una alta resolución temporal y espacial, lo que los convierte en una prometedora tecnología de caracterización ultrarrápida de próxima generación que potencialmente podría superar los pulsos de luz de attosegundos.
La monocromaticidad de la fuente de electrones es vital para lograr una alta resolución espacial. Sin embargo, la fuerte interacción entre los electrones y el campo óptico da como resultado que los electrones excitados ocupen una amplia gama de niveles de energía. Esto conduce a una importante dispersión de energía (>600 meV) en fuentes de electrones ultrarrápidas que dependen de nanoestructuras metálicas tradicionales.
Para abordar esta cuestión, el equipo del profesor Dai propuso el uso de nanotubos de carbono como materiales fuente de electrones ultrarrápidos, reemplazando las nanoestructuras metálicas convencionales en su estudio anterior.
En el estudio actual, los investigadores utilizaron nanotubos de carbono de pared simple con un diámetro de aproximadamente 2 nm como emisores, logrando una emisión de un solo electrón mediante túneles resonantes ultrarrápidos.
Emplearon la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo (TDDFT) para la simulación y descubrieron que se podría formar una barrera de capa de agotamiento entre la tapa del nanotubo de carbono y su cuerpo. Esto, junto con la barrera de vacío, forma una estructura de doble barrera, lo que permite que la capa de dimensión cero sirva como una cavidad resonante de electrones, soportando tanto el efecto de túnel resonante como el de bloqueo de Coulomb.
Posteriormente, ajustaron con precisión la estructura de doble barrera en la punta controlando la concentración del portador mediante el funcionamiento de la temperatura local y observaron el fenómeno de resistencia diferencial negativa (NDR) inducida por láser, lo que demuestra el efecto del túnel resonante.
La distancia máxima ajustable del pico de resistencia negativa también sugirió la presencia de una renormalización del nivel de energía en la tapa, lo que respalda el mecanismo de emisión de un solo electrón controlado por el bloqueo de Coulomb.
Además, observaron el fenómeno de división del pico NDR. Las simulaciones TDDFT confirmaron que este fenómeno se debe a la división de Stark de dos estados cuánticos degenerados causados por el efecto combinado del campo estático y el campo láser. Esto indica que los niveles de energía cuántica se pueden ajustar aún más para lograr una emisión de electrones más controlada.
Al evaluar el grado de división del nivel de energía y combinarlo con cálculos de primeros principios dependientes del tiempo, se estimó que la dispersión de energía de emisión de electrones fue de aproximadamente 57 meV, que es un orden de magnitud menor que la de los metales.
"Utilizando la estructura atómica única de los nanotubos de carbono, es posible lograr una fuente de electrones coherente ultrarrápida cercana al límite del principio de incertidumbre tiempo-energía", afirmó el profesor Dai. "Esto podría permitir que las sondas electrónicas tengan una resolución espacial subangstrom y una resolución temporal de femtosegundos, lo cual es de gran importancia para muchas aplicaciones científicas y tecnológicas, incluida la microscopía electrónica de attosegundos".
Más información: Chi Li et al, Fotoemisión ultrarrápida coherente desde un único estado cuantificado de un emisor unidimensional, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adf4170
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por la Academia China de Ciencias
