Cientistas da Faculdade de Ciências Puras e Aplicadas da Universidade de Tsukuba criaram "instantâneos" de microscopia de tunelamento de varredura (STM) com um atraso entre os quadros muito menor do que era possível anteriormente. Usando métodos de laser ultrarrápidos, eles melhoraram a resolução de tempo de picossegundos para dezenas de femtossegundos, o que pode aumentar muito a capacidade dos cientistas de matéria condensada de estudar processos extremamente rápidos.
Um picossegundo, que é um mero trilionésimo de segundo, é muito mais curto do que um piscar de olhos. Para a maioria das aplicações, uma câmera de filme que pudesse gravar quadros em um picosegundo seria muito mais rápida do que o necessário. No entanto, para os cientistas que tentam entender a dinâmica ultrarrápida de materiais usando STM, como o rearranjo de átomos durante uma transição de fase ou a breve excitação de elétrons, pode ser dolorosamente lento.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Tsukuba projetou um sistema STM baseado em um método de sonda de bomba que pode ser usado em uma ampla gama de tempos de atraso tão curtos quanto 30 femtossegundos. Nesta técnica, um laser de bomba é usado para excitar o material, seguido rapidamente por um laser de sonda. O tempo de atraso é controlado por espelhos móveis que alteram a distância que o feixe da sonda deve percorrer.

Na velocidade da luz, isso se traduz em tempos de atraso da ordem de femtossegundos. Essa escala de tempo é necessária para obter uma compreensão mais completa do comportamento dos materiais. “Na matéria condensada, a dinâmica geralmente não é espacialmente uniforme, mas é fortemente afetada por estruturas locais, como defeitos de nível atômico, que podem mudar em escalas de tempo muito curtas”, diz o autor sênior, professor Hidemi Shigekawa.

Na nova configuração, o feixe da sonda ativa o circuito STM para registrar dados de microscopia. Como ilustração, os pesquisadores estudaram a dinâmica de não equilíbrio ultrarrápida foto-induzida do telureto de molibdênio (MoTe2). Eles foram capazes de medir a dinâmica dos elétrons ao longo do intervalo de tempo de até um picossegundo e descobriram que concordavam com as previsões teóricas da renormalização da estrutura da banda. As imagens STM formaram instantâneos nos quais átomos individuais podem ser resolvidos e os efeitos da excitação podem ser seguidos.

“Esse nível de ampliação já foi alcançado antes, mas nosso trabalho representa um avanço significativo na resolução temporal disponível para microscópios eletrônicos de varredura”, diz o autor principal, professor Yusuke Arashida. Os pesquisadores antecipam que esses sistemas podem ajudar em uma ampla gama de aplicações da ciência dos materiais, como projetar novas células solares ou dispositivos eletrônicos em nanoescala.

O estudo foi publicado na ACS Photonics . + Explorar mais

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