Pour la toute première fois, les scientifiques ont capturé des images de la dynamique des électrons térahertz d'une surface semi-conductrice à l'échelle atomique. L'expérience réussie indique un avenir prometteur pour le nouveau sous-domaine en croissance rapide appelé microscopie à effet tunnel térahertz (THz-STM), lancé par l'Université de l'Alberta au Canada. THz-STM permet aux chercheurs d'imager le comportement des électrons à des échelles de temps extrêmement rapides et d'explorer comment ce comportement change entre différents atomes.

"Nous pouvons essentiellement zoomer pour observer des processus très rapides avec une précision atomique et sur des échelles de temps super rapides, " dit Vedran Jelic, Étudiant au doctorat à l'Université de l'Alberta et auteur principal de la nouvelle étude. « THz-STM nous offre une nouvelle fenêtre sur le nanomonde, nous permettant d'explorer les processus ultrarapides à l'échelle atomique. On parle d'une picoseconde, ou un millionième millionième de seconde. C'est quelque chose qui n'a jamais été fait auparavant."

Jelic et ses collaborateurs ont utilisé leur microscope à effet tunnel (STM) pour capturer des images d'atomes de silicium en balayant une pointe très pointue sur la surface et en enregistrant la hauteur de la pointe lorsqu'elle suit les ondulations atomiques de la surface. Alors que le STM original peut mesurer et manipuler des atomes uniques - pour lesquels ses créateurs ont remporté un prix Nobel en 1986 - il le fait à l'aide d'électronique filaire et est finalement limité en vitesse et donc en résolution temporelle.

Les lasers modernes produisent des impulsions lumineuses très courtes qui peuvent mesurer toute une gamme de processus ultra-rapides, mais généralement sur des échelles de longueur limitées par la longueur d'onde de la lumière à des centaines de nanomètres. Beaucoup d'efforts ont été déployés pour surmonter les défis de la combinaison de lasers ultra-rapides avec une microscopie ultra-petite. Les scientifiques de l'Université de l'Alberta ont relevé ces défis en travaillant dans une gamme de fréquences térahertz unique du spectre électromagnétique qui permet une mise en œuvre sans fil. Normalement, le STM a besoin d'une tension appliquée pour fonctionner, mais Jelic et ses collaborateurs sont capables de piloter leur microscope en utilisant des impulsions lumineuses à la place. Ces impulsions se produisent sur des échelles de temps très rapides, ce qui signifie que le microscope est capable de voir des événements très rapides.

En incorporant le THz-STM dans une chambre à ultravide, exempt de toute contamination ou vibration externe, ils sont capables de positionner avec précision leur pointe et de maintenir une surface parfaitement propre tout en imageant la dynamique ultrarapide des atomes sur les surfaces. Leur prochaine étape consiste à collaborer avec d'autres scientifiques des matériaux et à imaginer une variété de nouvelles surfaces à l'échelle nanométrique qui pourraient un jour révolutionner la vitesse et l'efficacité de la technologie actuelle, allant des cellules solaires au traitement informatique.

"La microscopie à effet tunnel térahertz ouvre la porte à un régime inexploré en physique, " conclut Jelic, qui étudie au Ultrafast Nanotools Lab avec le professeur Frank Hegmann de l'Université de l'Alberta, un expert mondial de la science térahertz ultra-rapide et de la nanophysique.

leurs découvertes, "Contrôle térahertz ultrarapide des courants tunnel extrêmes à travers des atomes uniques sur une surface de silicium, " paru dans le numéro du 20 février de Physique de la nature .