Des scientifiques de la Faculté des sciences pures et appliquées de l'Université de Tsukuba ont créé des "instantanés" de microscopie à effet tunnel (STM) avec un délai entre les images beaucoup plus court qu'auparavant. En utilisant des méthodes laser ultrarapides, ils ont amélioré la résolution temporelle de picosecondes à des dizaines de femtosecondes, ce qui peut grandement améliorer la capacité des scientifiques de la matière condensée à étudier des processus extrêmement rapides.

Une picoseconde, soit à peine un billionième de seconde, est beaucoup plus courte qu'un clin d'œil. Pour la plupart des applications, une caméra qui pourrait enregistrer des images en une picoseconde serait beaucoup plus rapide que nécessaire. Cependant, pour les scientifiques essayant de comprendre la dynamique ultrarapide des matériaux à l'aide de STM, comme le réarrangement des atomes lors d'une transition de phase ou la brève excitation des électrons, cela peut être extrêmement lent.

Maintenant, une équipe de chercheurs de l'Université de Tsukuba a conçu un système STM basé sur une méthode pompe-sonde qui peut être utilisée sur une large gamme de temps de retard aussi courts que 30 femtosecondes. Dans cette technique, un laser pompe est utilisé pour exciter le matériau, suivi rapidement d'un laser sonde. Le temps de retard est contrôlé par des miroirs mobiles qui modifient la distance que le faisceau de la sonde doit parcourir.

À la vitesse de la lumière, cela se traduit par des temps de retard de l'ordre de la femtoseconde. Cette échelle de temps est nécessaire pour obtenir une compréhension plus complète du comportement des matériaux. "Dans la matière condensée, la dynamique n'est souvent pas uniforme dans l'espace, mais est plutôt fortement affectée par des structures locales telles que des défauts au niveau atomique, qui peuvent changer sur des échelles de temps très courtes", explique l'auteur principal, le professeur Hidemi Shigekawa.

Dans la nouvelle configuration, le faisceau de sonde active le circuit STM pour enregistrer les données de microscopie. A titre d'illustration, les chercheurs ont étudié la dynamique de non-équilibre ultra-rapide photo-induite du tellurure de molybdène (MoTe2). Ils ont pu mesurer la dynamique des électrons sur une plage de temps allant jusqu'à une picoseconde et ont constaté qu'ils étaient d'accord avec les prédictions théoriques de la renormalisation de la structure de bande. Les images STM formaient des instantanés dans lesquels les atomes individuels pouvaient être résolus et les effets de l'excitation pouvaient être suivis.

"Ce niveau de grossissement a déjà été atteint, mais notre travail représente une avancée significative dans la résolution temporelle disponible pour les microscopes électroniques à balayage", a déclaré l'auteur principal, le professeur Yusuke Arashida. Les chercheurs prévoient que ces systèmes pourraient être utiles dans un large éventail d'applications en science des matériaux, telles que la conception de nouvelles cellules solaires ou de dispositifs électroniques à l'échelle nanométrique.

L'étude est publiée dans ACS Photonics . + Explorer plus loin

Méthode d'imagerie par diffraction cohérente multiplexée ultrarapide monocoup