Uma equipe de físicos da Alemanha, o .S. e o Reino Unido conseguiu observar o movimento dos elétrons de uma camada atomicamente fina para outra adjacente com resolução espacial em nanoescala. O novo conceito de nanoscopia sem contato, que mostra um grande potencial para investigações na condução, materiais não condutores e supercondutores, será apresentado no novo volume da revista científica Nature Photonics .

Nanotecnologia soa como ficção científica, mas já é parte integrante da eletrônica moderna em computadores, telefones e carros inteligentes. O tamanho dos transistores e diodos atingiu a nanoescala, correspondendo a apenas um milionésimo de milímetro. Isso faz com que os microscópios ópticos convencionais não sejam mais suficientes para inspecionar essas nanoestruturas. Para desenvolver nanotecnologia inovadora do futuro, cientistas substituíram o microscópio óptico por conceitos muito mais sofisticados, como microscopia eletrônica ou de tunelamento de varredura. Contudo, essas técnicas usam elétrons em vez de luz, que podem influenciar as propriedades dos dispositivos em nanoescala. Além disso, essas importantes técnicas de medição são limitadas a amostras eletricamente condutoras.

Uma equipe de físicos em torno de Rupert Huber e Jaroslav Fabian no Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) na Universität Regensburg, junto com colegas Tyler Cocker da Michigan State University, NÓS., e Jessica Boland da Universidade de Manchester, REINO UNIDO., introduziram uma nova técnica que pode resolver o movimento do elétron em nanoescala sem contato elétrico. Melhor ainda, o novo método também atinge resolução de tempo de femtossegundo em um quatrilionésimo de segundo. A combinação dessas resoluções espaciais e temporais extremas torna possível a gravação de filmes em câmera lenta da dinâmica do elétron ultrarrápida em nanoescala.

O conceito por trás da técnica é semelhante ao das tecnologias de pagamento sem contato. Esses métodos de pagamento são baseados em frequências e protocolos estabelecidos na macroescala, como comunicação de campo próximo (NFC). Aqui, os cientistas transferiram essa ideia para a nanoescala usando uma ponta metálica afiada como uma nano-antena, que se aproxima da amostra investigada. Em contraste com as técnicas estabelecidas em que as pontas conduzem uma corrente através da amostra, o novo conceito usa um campo elétrico alternado fraco para fazer a varredura da amostra sem contato. A frequência usada nos experimentos é aumentada para a faixa espectral de terahertz, aproximadamente 100, 000 vezes maior do que o usado em scanners NFC. Mudanças mínimas nesses campos elétricos fracos permitem conclusões precisas sobre o movimento local do elétron dentro do material. Combinar as medições com uma teoria quântica realista mostra que o conceito ainda permite resultados quantitativos. A fim de alcançar alta resolução temporal, os físicos usaram pulsos de luz extremamente curtos para registrar instantâneos nítidos do movimento dos elétrons em distâncias nanométricas.

A equipe escolheu uma amostra de uma nova classe de material chamada dichalcogenetos de metais de transição, que pode ser produzida em camadas atomicamente finas, como sua primeira amostra de teste. Quando essas folhas são empilhadas em ângulos escolhidos livremente, novos sólidos artificiais emergem com novas propriedades de materiais, que são investigados com destaque no Collaborative Research Center 1277 em Regensburg. A amostra em estudo foi feita de dois dichalcogenetos atomicamente finos diferentes para testar a peça central de uma célula solar futurística. O brilho da luz verde na estrutura faz emergir portadores de carga que se movem em uma ou outra direção, dependendo de sua polaridade - o princípio básico de uma célula solar, que converte luz em eletricidade. A separação ultrarrápida de cargas foi observada pelos cientistas no espaço e no tempo com precisão nanométrica. Para sua surpresa, a separação de carga funciona de forma confiável até mesmo quando as camadas de dichalcogeneto se acumulam sobre pequenas impurezas, como um mini carpete - descobertas importantes para otimizar esses novos materiais para uso futuro em células solares ou chips de computador.

"Não podemos esperar para registrar mais processos fascinantes de transferência de carga no isolamento, materiais condutores e supercondutores, "diz Markus Plankl, primeiro autor da publicação.

Colega de pós-doutorado e co-autor Thomas Siday diz:"Insights sobre o transporte ultrarrápido no comprimento e escalas de tempo relevantes nos ajudarão a entender como o tunelamento molda as funcionalidades em uma ampla gama de sistemas de matéria condensada."