Desde o início de 2010, sondagem ultrarrápida de materiais em resolução de nível atômico foi habilitada por microscópios de tunelamento de varredura terahertz (THz-STM). Mas esses dispositivos não podem detectar a dissipação de energia que acontece durante eventos como quando os fótons são emitidos por meio do processo de recombinação de um par elétron-buraco em um diodo emissor de luz (LED). Contudo, uma nova técnica permite o rastreamento de apenas essa dinâmica de energia ao lado do THz-STM, abrindo novos caminhos de investigação para ciência e tecnologia em nanoescala.

Pesquisadores no Japão desenvolveram uma técnica de microscopia que combina a capacidade de manipular o movimento dos elétrons em uma escala de tempo de femtossegundos e detectar um fóton em resolução sub-nanométrica. O novo método oferece uma nova plataforma para os cientistas conduzirem experimentos envolvendo detecção e controle de sistemas quânticos, abrindo novas portas para a ciência em nanoescala e o desenvolvimento de nanotecnologias.

O time, consiste em cientistas da Universidade Nacional de Yokohama e RIKEN, publicou detalhes de sua técnica no jornal ACS Photonics em 27 de janeiro.

O microscópio de tunelamento de varredura (STM) foi desenvolvido em 1981 como um instrumento que produz imagens de superfícies em nível atômico. A técnica depende do fenômeno de tunelamento quântico, em que uma partícula "túneis" através de uma barreira impenetrável. A superfície que está sendo investigada pelo microscópio é detectada por uma ponta condutora muito fina e afiada. Quando a ponta se aproxima da superfície, uma voltagem aplicada na ponta e na superfície permite que os elétrons façam um túnel através do vácuo entre eles. A corrente produzida por esse tunelamento, por sua vez, fornece informações sobre o objeto que podem ser traduzidas em uma imagem visual.

STM deu um grande salto no início de 2010 com a técnica THz-STM, que usa um pulso de campo elétrico ultrarrápido na ponta da sonda de varredura de um STM para manipular elétrons em uma escala de tempo de menos de um picossegundo (um trilionésimo de segundo).

Isso é ótimo para sondagem ultrarrápida de materiais em resolução de nível atômico, mas não consegue detectar a dissipação de energia que acontece durante as conversões quânticas. Isso inclui, por exemplo, conversões elétron-fóton, que é o que acontece quando uma injeção de elétron, ou buraco, atinge um LED, soltando exatamente um fóton dentro do material semicondutor do LED. Seria muito útil combinar a resolução ultrarrápida de nível atômico do STM com a capacidade de rastrear essa dinâmica de difusão de energia.

Uma tecnologia que pode de fato rastrear essa dinâmica, chamado de espectroscopia de luminescência de tunelamento de varredura (STL), mede fótons convertidos por tunelamento de elétrons e foi desenvolvido em paralelo ao THz-STM. STL oferece informações abundantes sobre a energia do fóton, intensidade, polarização e a eficiência de sua emissão, desencadeada por tunelamento de elétrons.

"Mas THz-STM e STL nunca foram combinados antes em uma única configuração, "disse Jun Takeda, da Universidade Nacional de Yokohama, que co-liderou o estudo. "Então, colocamos as duas técnicas juntas."

Uma lente foi colocada de forma a focalizar os pulsos THz na ponta do STM. Os fótons produzidos a partir desses pulsos foram coletados usando uma segunda lente e direcionados a um detector de fótons, permitindo a investigação desejada da dinâmica de energia de conversões quânticas que ocorrem durante a sondagem ultra-rápida STM de materiais em nível atômico.

Isso revelou uma excitação ultrarrápida de plasmons (elétrons de superfície) em voltagem extremamente alta.

"Essa excitação, por sua vez, pode fornecer uma nova plataforma única para experimentação e exploração de interações luz-matéria em uma 'nanocavidade plasmônica', disse Ikufumi Katayama, que também co-liderou o estudo. A nanocavidade plasmônica é uma estrutura em escala nanométrica para capturar a luz, mas que envolveria esses elétrons de superfície.

O método da nanocavidade deve permitir a investigação da dinâmica da energia resultante do tunelamento de elétrons em semicondutores, e em outros sistemas moleculares na escala de tempo de até mesmo um femtossegundo - um quatrilionésimo de segundo, ou a quantidade de tempo que normalmente leva para a dinâmica molecular, o movimento físico de átomos ou moléculas individuais, ocorrer. Isso deve permitir uma maior detecção e controle dos sistemas quânticos, fornecendo novas percepções e avanços em tecnologia e ciência em nanoescala.