Une équipe de recherche conjointe dirigée par le professeur Dai Qing et le professeur Li Chi du Centre national des nanosciences et technologies (NCNST) de l'Académie chinoise des sciences (CAS) a démontré la photoémission ultrarapide cohérente d'un seul niveau d'énergie quantifié d'un carbone nanotube. L'étude a été publiée dans Science Advances le 12 octobre.
L’exploration des processus dynamiques à des échelles spatio-temporelles extrêmes est essentielle aux progrès scientifiques et technologiques. Cela est particulièrement vrai dans le domaine microscopique, où la plupart des mouvements sont ultrarapides, notamment à l'échelle spatiale atomique, puisque les processus ultrarapides peuvent atteindre des durées de quelques femtosecondes, voire attosecondes.
Par rapport aux impulsions lumineuses ultrarapides, les impulsions électroniques ultrarapides offrent à la fois une résolution temporelle et spatiale élevée, ce qui en fait une technologie de caractérisation ultrarapide de nouvelle génération prometteuse qui pourrait potentiellement dépasser les impulsions lumineuses attosecondes.
La monochromaticité de la source d’électrons est essentielle pour obtenir une haute résolution spatiale. Cependant, la forte interaction entre les électrons et le champ optique fait que les électrons excités occupent une large gamme de niveaux d’énergie. Cela conduit à une dispersion d'énergie significative (>600meV) dans les sources d'électrons ultrarapides qui reposent sur des nanostructures métalliques traditionnelles.
Pour résoudre ce problème, l'équipe du professeur Dai a proposé l'utilisation de nanotubes de carbone comme matériaux sources d'électrons ultrarapides, remplaçant ainsi les nanostructures métalliques conventionnelles dans leur étude précédente.
Dans la présente étude, les chercheurs ont utilisé des nanotubes de carbone à paroi unique d'un diamètre d'environ 2 nm comme émetteurs, obtenant ainsi une émission monoélectronique à effet tunnel résonnant ultrarapide.
Ils ont utilisé la théorie fonctionnelle de la densité dépendant du temps (TDDFT) pour la simulation et ont découvert qu'une barrière de couche d'appauvrissement pouvait se former entre la coiffe du nanotube de carbone et son corps. Ceci, en conjonction avec la barrière à vide, forme une structure à double barrière, permettant au capuchon zéro dimensionnel de servir de cavité résonante électronique, supportant à la fois l'effet tunnel résonant et le blocage coulombien.
Par la suite, ils ont affiné la structure à double barrière à la pointe en contrôlant la concentration de porteurs en opérant sur la température locale, et ont observé le phénomène de résistance différentielle négative (NDR) induit par laser, prouvant l'effet de tunnel résonant.
La distance réglable du pic de résistance négative suggère également la présence d'une renormalisation du niveau d'énergie dans le capuchon, soutenant le mécanisme d'émission d'un seul électron contrôlé par le blocage de Coulomb.
De plus, ils ont observé le phénomène de division du pic NDR. Les simulations TDDFT ont confirmé que ce phénomène est dû à la division Stark de deux états quantiques dégénérés provoquée par l'effet combiné du champ statique et du champ laser. Cela indique que les niveaux d'énergie quantique peuvent être encore ajustés pour obtenir une émission d'électrons plus contrôlée.
En évaluant le degré de division du niveau d'énergie et en le combinant avec des calculs de principes premiers dépendants du temps, il a été estimé que la propagation de l'énergie d'émission des électrons était d'environ 57 meV, ce qui est un ordre de grandeur inférieur à celui des métaux.
"En utilisant la structure atomique unique des nanotubes de carbone, il est possible d'obtenir une source d'électrons cohérente et ultrarapide proche de la limite du principe d'incertitude temps-énergie", a déclaré le professeur Dai. "Cela pourrait permettre aux sondes électroniques d'avoir une résolution spatiale inférieure à l'angström et une résolution temporelle femtoseconde, ce qui est d'une grande importance pour de nombreuses applications scientifiques et technologiques, y compris la microscopie électronique attoseconde."
Plus d'informations : Chi Li et al, Photoémission ultrarapide cohérente à partir d'un seul état quantifié d'un émetteur unidimensionnel, Science Advances (2023). DOI :10.1126/sciadv.adf4170
Informations sur le journal : Progrès scientifiques
Fourni par l'Académie chinoise des sciences
