Depuis le début des années 2010, le sondage ultrarapide des matériaux à une résolution de niveau atomique a été rendu possible par des microscopes à effet tunnel térahertz (THz-STM). Mais ces appareils ne peuvent pas détecter la dissipation d'énergie qui se produit lors d'événements tels que l'émission de photons via le processus de recombinaison d'une paire électron-trou dans une diode électroluminescente (DEL). Cependant, une nouvelle technique permet de suivre une telle dynamique énergétique aux côtés du THz-STM, ouvrant de nouvelles voies d'investigation pour la science et la technologie à l'échelle nanométrique.

Des chercheurs japonais ont développé une technique de microscopie qui combine la capacité de manipuler le mouvement des électrons sur une échelle de temps femtoseconde et de détecter un photon à une résolution inférieure au nanomètre. La nouvelle méthode offre une nouvelle plate-forme aux scientifiques pour mener des expériences impliquant la détection et le contrôle de systèmes quantiques, ouvrir de nouvelles portes à la science à l'échelle nanométrique et au développement des nanotechnologies.

L'équipe, se compose de scientifiques de l'Université nationale de Yokohama et du RIKEN, publié les détails de leur technique dans le journal ACS Photonique le 27 janvier.

Le microscope à effet tunnel (STM) a été développé en 1981 en tant qu'instrument produisant des images de surfaces au niveau atomique. La technique dépend du phénomène d'effet tunnel quantique, dans lequel une particule « tunnels » à travers une barrière autrement impénétrable. La surface étudiée par le microscope est détectée par une pointe conductrice très fine et pointue. Lorsque la pointe s'approche de la surface, une tension appliquée à travers la pointe et la surface permet aux électrons de passer à travers le vide entre eux. Le courant produit par ce tunnel fournit à son tour des informations sur l'objet qui peuvent ensuite être traduites en une image visuelle.

La STM a fait un grand bond en avant au début des années 2010 avec la technique THz-STM, qui utilise une impulsion de champ électrique ultrarapide à la pointe de la sonde de balayage d'un STM pour manipuler les électrons à une échelle de temps inférieure à une picoseconde (un billionième de seconde).

C'est idéal pour le sondage ultrarapide des matériaux à une résolution de niveau atomique, mais ne peut pas détecter la dissipation d'énergie qui se produit lors des conversions quantiques. Ceci comprend, par exemple, conversions électron-photon, c'est ce qui se passe lorsqu'une injection d'électron, ou trou, frappe une LED, en détachant exactement un photon à l'intérieur du matériau semi-conducteur LED. Il serait très utile de combiner la résolution ultrarapide au niveau atomique du STM avec la possibilité de suivre une telle dynamique de diffusion de l'énergie.

Une technologie qui peut en effet suivre une telle dynamique, appelée spectroscopie de luminescence à effet tunnel (STL), mesure les photons convertis par effet tunnel d'électrons et a été développé en parallèle au THz-STM. STL offre des informations abondantes sur l'énergie des photons, intensité, polarisation et l'efficacité de son émission, déclenchée par effet tunnel électronique.

"Mais THz-STM et STL n'avaient jamais été combinés auparavant dans une seule configuration, " a déclaré Jun Takeda de l'Université nationale de Yokohama, qui a co-dirigé l'étude. "Nous avons donc mis les deux techniques ensemble."

Une lentille a été placée de manière à focaliser les impulsions THz sur la pointe du STM. Les photons produits à partir de ces impulsions ont ensuite été collectés à l'aide d'une seconde lentille et dirigés vers un détecteur de photons, permettant l'étude souhaitée de la dynamique énergétique des conversions quantiques qui se produisent lors du sondage ultrarapide STM des matériaux au niveau atomique.

Cela a révélé une excitation ultrarapide des plasmons (électrons de surface) à une tension extrêmement élevée.

"Cette excitation pourrait à son tour fournir une nouvelle plate-forme unique pour l'expérimentation et l'exploration des interactions lumière-matière dans une" nanocavité plasmonique ", dit Ikufumi Katayama, qui a également co-dirigé l'étude. La nanocavité plasmonique est une structure à l'échelle nanométrique pour piéger la lumière mais qui impliquerait ces électrons de surface.

La méthode de la nanocavité devrait permettre d'étudier la dynamique énergétique résultant de l'effet tunnel électronique dans les semi-conducteurs, et dans d'autres systèmes moléculaires à l'échelle de temps même d'une femtoseconde - un quadrillionième de seconde, ou le temps qu'il faut généralement pour la dynamique moléculaire, le mouvement physique d'atomes ou de molécules individuels, arriver. Cela devrait permettre une meilleure détection et un meilleur contrôle des systèmes quantiques, fournir de nouvelles idées et des avancées dans la technologie et la science à l'échelle nanométrique.