Une équipe de physiciens d'Allemagne, le .S. et le Royaume-Uni a réussi à observer le mouvement des électrons d'une couche atomiquement mince vers une couche adjacente avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique. Le nouveau concept de nanoscopie sans contact, qui présente un grand potentiel d'enquêtes sur la conduite, matériaux non conducteurs et supraconducteurs, sera présenté dans le nouveau volume de la revue scientifique Photonique de la nature .

La nanotechnologie sonne comme de la science-fiction, mais fait déjà partie intégrante de l'électronique moderne dans les ordinateurs, téléphones intelligents et voitures. La taille des transistors et des diodes a atteint l'échelle nanométrique, correspondant à seulement un millionième de millimètre. De ce fait, les microscopes optiques classiques ne suffisent plus pour inspecter ces nanostructures. Développer de futures nanotechnologies innovantes, les scientifiques ont remplacé le microscope optique par des concepts beaucoup plus sophistiqués, comme la microscopie électronique ou à effet tunnel. Cependant, ces techniques utilisent des électrons au lieu de la lumière, qui peuvent influencer les propriétés des dispositifs nanométriques. Par ailleurs, ces techniques de mesure importantes sont limitées aux échantillons électriquement conducteurs.

Une équipe de physiciens autour de Rupert Huber et Jaroslav Fabian au Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) à l'Universität Regensburg, avec ses collègues Tyler Cocker de la Michigan State University, NOUS., et Jessica Boland de l'Université de Manchester, ROYAUME-UNI., ont introduit une nouvelle technique qui peut résoudre le mouvement des électrons à l'échelle nanométrique sans contact électrique. Mieux encore, la nouvelle méthode atteint également une résolution temporelle femtoseconde à un quadrillionième de seconde. La combinaison de ces résolutions spatiales et temporelles extrêmes rend possible l'enregistrement de films au ralenti de la dynamique des électrons ultrarapides à l'échelle nanométrique.

Le concept derrière la technique est similaire aux technologies de paiement sans contact. Ces méthodes de paiement sont basées sur des fréquences et des protocoles établis à grande échelle tels que la communication en champ proche (NFC). Ici, les scientifiques ont transféré cette idée à l'échelle nanométrique en utilisant une pointe métallique pointue comme nano-antenne, qui est rapproché de l'échantillon étudié. Contrairement aux techniques établies dans lesquelles les pointes conduisent un courant à travers l'échantillon, le nouveau concept utilise un faible champ électrique alternatif pour balayer l'échantillon sans contact. La fréquence utilisée dans les expériences est amplifiée jusqu'au domaine spectral térahertz, environ 100, 000 fois supérieur à celui utilisé dans les scanners NFC. Des changements infimes dans ces champs électriques faibles permettent de tirer des conclusions précises sur le mouvement local des électrons dans le matériau. La combinaison des mesures avec une théorie quantique réaliste montre que le concept permet même des résultats quantitatifs. Afin d'obtenir une résolution temporelle élevée, les physiciens ont utilisé des impulsions lumineuses extrêmement courtes pour enregistrer des instantanés nets du mouvement des électrons sur des distances nanométriques.

L'équipe a choisi un échantillon d'une nouvelle classe de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition, qui peut être produit en couches atomiquement minces, comme premier échantillon d'essai. Lorsque ces feuilles sont empilées sous des angles librement choisis, de nouveaux solides artificiels émergent avec de nouvelles propriétés matérielles, qui font l'objet d'études importantes au Centre de recherche collaboratif 1277 à Ratisbonne. L'échantillon à l'étude a été fabriqué à partir de deux dichalcogénures atomiquement minces différents pour tester la pièce maîtresse d'une cellule solaire futuriste. La lumière verte brillante sur la structure fait émerger des porteurs de charge qui se déplacent dans l'une ou l'autre direction en fonction de leur polarité - le principe de base d'une cellule solaire, qui transforme la lumière en électricité. La séparation de charge ultrarapide a été observée par les scientifiques dans l'espace et le temps avec une précision nanométrique. A leur grande surprise, la séparation des charges fonctionne même de manière fiable lorsque les couches de dichalcogénure reposent sur de minuscules impuretés comme un mini tapis, des informations importantes pour optimiser ces nouveaux matériaux en vue d'une utilisation future dans les cellules solaires ou les puces informatiques.

"Nous sommes impatients d'enregistrer d'autres processus fascinants de transfert de charge dans l'isolation, matériaux conducteurs et supraconducteurs, " dit Markus Plankl, premier auteur de la publication.

Le collègue postdoctoral et co-auteur Thomas Siday déclare :« Les informations sur le transport ultrarapide sur la durée et les échelles de temps pertinentes nous aideront à comprendre comment le tunneling façonne les fonctionnalités dans un large éventail de systèmes de matière condensée. »