Equipe de pesquisa demonstra fotoemissão ultrarrápida coerente do emissor de nanotubos de carbono
Fig. 1 (a) Diagrama esquemático da emissão ultrarrápida de elétrons a partir de nanotubos de carbono. (b) Os resultados do cálculo TDDFT mostram que uma barreira de camada de depleção pode ser formada na ponta do nanotubo de carbono. Crédito:NCNST Uma equipe de pesquisa conjunta liderada pelo Prof. Dai Qing e pelo Prof. Li Chi do Centro Nacional de Nanociência e Tecnologia (NCNST) da Academia Chinesa de Ciências (CAS) demonstrou a fotoemissão ultrarrápida coerente de um único nível de energia quantizado de um carbono nanotubo. O estudo foi publicado em Avanços da Ciência em 12 de outubro.
Explorar processos dinâmicos em escalas espaço-temporais extremas é fundamental para os avanços científicos e tecnológicos. Isto é particularmente verdadeiro no domínio microscópico, onde a maioria dos movimentos são ultrarrápidos, especialmente na escala espacial atômica, uma vez que processos ultrarrápidos podem atingir durações de alguns femtossegundos ou até attossegundos.
Comparados com pulsos de luz ultrarrápidos, os pulsos de elétrons ultrarrápidos oferecem alta resolução temporal e espacial, tornando-os uma promissora tecnologia de caracterização ultrarrápida de próxima geração que poderia potencialmente exceder os pulsos de luz de attossegundos.
A monocromaticidade da fonte de elétrons é vital para alcançar alta resolução espacial. No entanto, a forte interação entre os elétrons e o campo óptico resulta em elétrons excitados ocupando uma ampla faixa de níveis de energia. Isso leva a uma dispersão significativa de energia (> 600meV) em fontes de elétrons ultrarrápidas que dependem de nanoestruturas metálicas tradicionais.
Para resolver esse problema, a equipe do Prof. Dai propôs o uso de nanotubos de carbono como materiais fonte de elétrons ultrarrápidos, substituindo nanoestruturas metálicas convencionais em seu estudo anterior. Fig. 2 (a) Observação experimental de resistência diferencial negativa na emissão ultrarrápida de elétrons. (b) A dependência da distância pico a pico do pico da resistência negativa com a temperatura. Crédito:NCNST No estudo atual, os pesquisadores usaram nanotubos de carbono de parede única com um diâmetro de aproximadamente 2 nm como emissores, obtendo uma emissão de elétron único por tunelamento ressonante ultrarrápido.
Eles empregaram a Teoria do Funcional da Densidade Dependente do Tempo (TDDFT) para simulação e descobriram que uma barreira de camada de depleção poderia se formar entre a tampa do nanotubo de carbono e seu corpo. Isto, em conjunto com a barreira de vácuo, forma uma estrutura de barreira dupla, permitindo que a tampa de dimensão zero sirva como uma cavidade ressonante de elétrons, suportando tanto o tunelamento ressonante quanto os efeitos de bloqueio de Coulomb.
Posteriormente, eles ajustaram a estrutura de barreira dupla na ponta, controlando a concentração de transportadores através da operação da temperatura local, e observaram o fenômeno da Resistência Diferencial Negativa (NDR) induzida por laser, comprovando o efeito do tunelamento ressonante.
A distância ajustável do pico de resistência negativa também sugeriu a presença de renormalização do nível de energia na tampa, apoiando o mecanismo de emissão de elétron único controlado pelo bloqueio de Coulomb. Fig. 3 (a) Fenômeno de divisão do pico de resistência negativo. (b) Usando o cálculo TDDFT, o valor de energia correspondente à divisão é estimado em cerca de 110meV (correspondendo a cerca de 11,6V de polarização), e a propagação da energia de emissão de elétrons é estimada em cerca de 57meV (correspondendo a cerca de 6V de polarização). Crédito:NCNST Além disso, observaram o fenômeno de divisão do pico NDR. Simulações TDDFT confirmaram que este fenômeno é devido à divisão Stark de dois estados quânticos degenerados causado pelo efeito combinado do campo estático e do campo laser. Isto indica que os níveis de energia quântica podem ser ainda mais ajustados para obter uma emissão de elétrons mais controlada.
Ao avaliar o grau de divisão do nível de energia e combiná-lo com cálculos de primeiros princípios dependentes do tempo, estimou-se que a dispersão da energia de emissão de elétrons foi de aproximadamente 57meV, o que é uma ordem de grandeza inferior à dos metais.
"Utilizando a estrutura atômica única dos nanotubos de carbono, é possível obter uma fonte de elétrons coerente ultrarrápida próxima ao limite do princípio da incerteza tempo-energia", disse o Prof. "Isso poderia permitir que as sondas eletrônicas tivessem resolução espacial sub-angstrom e resolução temporal de femtossegundos, o que é de grande importância para muitas aplicações científicas e tecnológicas, incluindo microscopia eletrônica de attossegundos."
Mais informações: Chi Li et al, Fotoemissão ultrarrápida coerente de um único estado quantizado de um emissor unidimensional, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adf4170 Informações do diário: Avanços da Ciência
