16 جولای 2024 -توسط Jutta Witte، دانشگاه اشتوتگارت
نوک تصویربرداری میکروسکوپ تونل زنی روبشی با تفکیک زمانی، حرکت جمعی الکترون در مواد را از طریق پالس های تراهرتز فوق سریع ثبت می کند. اعتبار: شائوسیانگ شنگ، دانشگاه اشتوتگارت (FMQ)
فیزیکدانان دانشگاه اشتوتگارت به رهبری پروفسور سباستین لوث در حال توسعه میکروسکوپ کوانتومی هستند که آنها را برای اولین بار قادر می سازد حرکت الکترون ها را در سطح اتمی با وضوح مکانی و زمانی بسیار بالا ثبت کنند.
روش آنها این پتانسیل را دارد که دانشمندان را قادر سازد تا مواد را به روشی بسیار هدفمندتر از قبل توسعه دهند. محققان یافته های خود را در Nature Physics منتشر کرده اند.
پروفسور لوث، مدیر مؤسسه ماده عملکردی و فناوری‌های کوانتومی (FMQ) در دانشگاه اشتوتگارت می‌گوید: «با روشی که توسعه داده‌ایم، می‌توانیم چیزهایی را نمایان کنیم که قبلاً کسی ندیده است». این امر امکان حل سؤالاتی در مورد حرکت الکترون ها در جامدات را فراهم می کند که از دهه 1980 بی پاسخ مانده است. یافته های گروه لوث نیز برای توسعه مواد جدید اهمیت بسیار عملی دارد.
در فلزات، عایق ها و نیمه هادی ها، دنیای فیزیکی ساده است. اگر چند اتم را در سطح اتمی تغییر دهید، خواص ماکروسکوپی بدون تغییر باقی می‌ماند. به عنوان مثال، فلزات اصلاح شده به این روش هنوز رسانای الکتریکی هستند، در حالی که عایق ها اینگونه نیستند.
با این حال، وضعیت در مواد پیشرفته‌تر که فقط در آزمایشگاه تولید می‌شوند متفاوت است – تغییرات حداقلی در سطح اتمی باعث رفتار ماکروسکوپی جدید می‌شود. به عنوان مثال، برخی از این مواد به طور ناگهانی از عایق به ابررسانا تبدیل می‌شوند، یعنی جریان الکتریکی را بدون اتلاف گرما هدایت می‌کنند.
این تغییرات می‌توانند بسیار سریع، در عرض پیکوثانیه اتفاق بیفتند، زیرا بر حرکت الکترون‌ها از طریق ماده مستقیماً در مقیاس اتمی تأثیر می‌گذارند. یک پیکوثانیه بسیار کوتاه است، فقط یک تریلیونم ثانیه. به همان نسبت چشم به هم زدن است که یک چشم به هم زدن با یک دوره بیش از 3000 سال است.
گروه کاری لوث اکنون راهی برای مشاهده رفتار این مواد در چنین تغییرات کوچکی در سطح اتمی یافته است. به طور خاص، دانشمندان ماده ای متشکل از عناصر نیوبیوم و سلنیوم را مطالعه کردند که در آن می توان یک اثر را به شیوه ای نسبتاً دست نخورده مشاهده کرد: حرکت جمعی الکترون ها در یک موج چگالی بار.
لوث و تیمش بررسی کردند که چگونه یک ناخالصی واحد می تواند این حرکت جمعی را متوقف کند. برای این منظور، محققان اشتوتگارت یک پالس الکتریکی بسیار کوتاه را که تنها یک پیکوثانیه طول می‌کشد، روی ماده اعمال می‌کنند. موج چگالی بار در برابر ناخالصی فشرده می شود و اعوجاج هایی به اندازه نانومتر را به مجموعه الکترون می فرستد که باعث حرکت بسیار پیچیده الکترون در ماده برای مدت کوتاهی می شود.
کار مقدماتی مهمی برای نتایج ارائه شده در مؤسسه تحقیقات حالت جامد ماکس پلانک (MPI FKF) در اشتوتگارت و در مؤسسه ماکس پلانک برای ساختار و دینامیک ماده (MPSD) در هامبورگ، جایی که لوث در حال انجام تحقیقات بود، انجام شد. قبل از اینکه به دانشگاه اشتوتگارت منصوب شود.
لوث توضیح می‌دهد: «اگر بتوانیم بفهمیم که چگونه حرکت مجموعه الکترون متوقف می‌شود، می‌توانیم موادی با ویژگی‌های دلخواه را به شیوه‌ای هدفمندتر توسعه دهیم. یا به بیان دیگر: از آنجایی که هیچ ماده کاملی بدون ناخالصی وجود ندارد، روش میکروسکوپی توسعه‌یافته به درک نحوه چیدمان ناخالصی‌ها برای دستیابی به اثر فنی مطلوب کمک می‌کند.
لوث می گوید: طراحی در سطح اتمی تأثیر مستقیمی بر خواص ماکروسکوپی ماده دارد. این اثر را می توان به عنوان مثال برای سوئیچینگ فوق سریع مواد در حسگرها یا قطعات الکترونیکی آینده استفاده کرد.
آزمایشی که 41 میلیون بار در ثانیه تکرار شد
لوث توضیح می‌دهد: «روش‌هایی برای تجسم اتم‌ها یا حرکات آنها وجود دارد. اما با این روش ها، می توانید به وضوح مکانی بالا یا وضوح زمانی بالا دست پیدا کنید.
برای اینکه میکروسکوپ جدید اشتوتگارت به هر دو دست یابد، فیزیکدان و تیمش یک میکروسکوپ تونل زنی روبشی که مواد را در سطح اتمی تجزیه می کند، با یک روش طیف سنجی فوق سریع به نام طیف سنجی پمپ-کاوشگر ترکیب می کنند.
به منظور انجام اندازه گیری های لازم، تنظیمات آزمایشگاهی باید به خوبی محافظت شود. ارتعاشات، صدا و حرکت هوا و همچنین نوسانات دما و رطوبت اتاق مضر هستند. لوث خاطرنشان می کند: “این به این دلیل است که ما سیگنال های بسیار ضعیفی را اندازه گیری می کنیم که در غیر این صورت به راحتی در نویز پس زمینه از بین می روند.”
علاوه بر این، تیم باید این اندازه‌گیری‌ها را اغلب تکرار کند تا به نتایج معنادار دست یابد.
محققان توانستند میکروسکوپ خود را به گونه ای بهینه کنند که آزمایش را 41 میلیون بار در ثانیه تکرار کند و در نتیجه به کیفیت سیگنال بالایی دست یابد. لوث می گوید: «تاکنون فقط ما موفق به انجام این کار شده ایم.
