Soziale Distanzierung auf der Nanoskala

Zwischenschicht-Exzitonen (helle Ellipsoide), die sich nach der Trennung von Elektronen und Löchern (rote und blaue Kugeln) zwischen optisch angeregten atomar dünnen Schichten (obere und untere Schicht) bilden können. Bildnachweis: Markus Plankl (2021)

Einem Physikerteam aus Deutschland, den USA und Großbritannien ist es gelungen, die Bewegung von Elektronen von einer atomar dünnen Schicht zu einer benachbarten Schicht mit einer räumlichen Auflösung im Nanobereich zu beobachten. Im neuen Band der Fachzeitschrift Nature Photonics wird das neue Konzept der berührungslosen Nanoskopie vorgestellt, das großes Potenzial für die Untersuchung von leitfähigen, nicht leitfähigen und supraleitenden Materialien besitzt.

Nanotechnologie sieht manchmal noch aus wie Science-Fiction, ist aber bereits fester Bestandteil moderner Elektronik in unseren Computern, Smartphones und Autos. Die Größe elektronischer Bauteile wie Transistoren und Dioden hat die Nanoskala erreicht, die nur einem Millionstel Millimeter entspricht. Dadurch reichen herkömmliche Lichtmikroskope nicht mehr aus, um diese Nanostrukturen zu untersuchen. Um zukünftige innovative Nanotechnologien zu entwickeln, haben Wissenschaftler das optische Mikroskop durch viel ausgefeiltere Konzepte wie Elektronen- oder Tunnelmikroskopie ersetzt. Diese Techniken verwenden jedoch Elektronen anstelle von Licht, was die Eigenschaften von Geräten im Nanomaßstab beeinflussen kann. Zudem sind diese wichtigen Messtechniken auf elektrisch leitfähige Proben beschränkt.

Ein Team von Physikern um Rupert Huber und Jaroslav Fabian vom Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) der Universität Regensburg mit ihren Kollegen Tyler Cocker von der Michigan State University, USA, und Jessica Boland von der University of Manchester, UK, präsentierten a neue Technik, die die Bewegung von Elektronen im Nanobereich lösen kann, ohne dass sie elektrisch kontaktiert werden müssen. Das Beste ist, dass die neue Methode auch eine unglaubliche zeitliche Auflösung von einer Billiardstel Sekunde (der Femtosekunden-Zeitskala) erreicht. Die Kombination dieser extremen räumlichen und zeitlichen Auflösungen ermöglicht es, Zeitlupenfilme der Dynamik ultraschneller Elektronen im Nanobereich aufzunehmen.

Das Konzept hinter der Technik funktioniert ähnlich wie das kontaktlose Bezahlen (Smartcard, Telefon, Scanner), das seit Beginn der Pandemie immer häufiger in unserem Leben Einzug hält. Diese Zahlungsmethoden basieren auf weit verbreiteten Frequenzen und Protokollen wie Near Field Communication (NFC). Hier übertrugen die Wissenschaftler diese Idee auf die Nanoskala, indem sie eine scharfe Metallspitze als Nano-Antenne verwenden, die in die Nähe der zu untersuchenden Probe gebracht wird.

Im Gegensatz zu den oben genannten etablierten Techniken, bei denen Stromspitzen durch die Probe geleitet werden, verwendet das neue Konzept ein schwaches elektrisches Wechselfeld, um die Probe berührungslos abzutasten. Die in den Experimenten verwendete Frequenz wird bis in den Terahertz-Spektralbereich erhöht, etwa 100.000 Mal höher als bei NFC-Scannern. Minimale Änderungen dieser schwachen elektrischen Felder erlauben genaue Rückschlüsse auf die lokale Bewegung von Elektronen im Material.

Die Kombination der Messungen mit realistischer Quantentheorie zeigt, dass das Konzept sogar quantitative Ergebnisse zulässt. Um weiterhin eine hohe zeitliche Auflösung zu erreichen, haben Physiker mit extrem kurzen Lichtpulsen scharfe Momentaufnahmen der Bewegung von Elektronen über nanoskalige Distanzen aufgenommen.

Als erstes Testmuster wählte das Team eine Probe aus einer neuen Materialklasse, den Übergangsmetalldichalkogeniden, die in atomar dünnen Schichten hergestellt werden können. Werden diese Platten in frei wählbaren Winkeln gestapelt, entstehen neue künstliche Festkörper mit neuen Materialeigenschaften, die im Sonderforschungsbereich 1277 in Regensburg intensiv untersucht werden.

Die untersuchte Probe wurde aus zwei verschiedenen atomar dünnen Dichalkogeniden hergestellt, um das Herzstück einer futuristischen Solarzelle zu testen. Beim grünen Leuchten der Struktur entstehen Ladungsträger, die sich je nach Polarität in beide Richtungen bewegen – das Grundprinzip einer Solarzelle, die Licht in Strom umwandelt. Die ultraschnelle Ladungstrennung wurde von Wissenschaftlern im Laufe der Zeit sowie im Weltraum mit nanometrischer Präzision beobachtet. Zu ihrer Überraschung funktioniert die Ladungstrennung sogar zuverlässig, wenn die Dichalkogenidschichten wie eine Minimatte auf winzigen Verunreinigungen sitzen – wichtige Informationen zur Optimierung dieser neuen Materialien für den zukünftigen Einsatz in Solarzellen oder Solarzellen.

Die Forscher sind begeistert von ihren aufschlussreichen Ergebnissen. „Wir freuen uns darauf, weitere faszinierende Ladungstransferprozesse in isolierenden, leitfähigen und supraleitenden Materialien zu filmen“, sagt Markus Plankl, Erstautor der Publikation. Postdoktorand und Co-Autor Thomas Siday fügt hinzu: „Die Informationen über ultraschnellen Transport im Zeitverlauf und relevante Zeitskalen werden uns helfen zu verstehen, wie Tunneln die Funktionalität in einer Vielzahl von Systemen kondensierter Materie beeinflusst. “

Neben Nanostrukturen in der Physik sind nun auch Quantenprozesse zugänglich, die in biologischen Systemen bisher schwer fassbar waren. Diese Ergebnisse spiegeln das wachsende Interesse von Forschern der Biologie, Chemie und Physik der Universität Regensburg an der ultraschnellen Nanoskopie wider, das zur Zulassung des neuen Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) geführt hat. Das derzeit im Bau befindliche RUN-Gebäude auf dem Universitätscampus soll die optimale Umgebung für eine solche interdisziplinäre Erforschung des Nanokosmos bieten.

Referenz: „Subcycle contact-free nanoscopy of ultrafast interlayer transport in atomically thin heterostructures“ von M. Plankl, PE Faria Junior, F. Mooshammer, T. Siday, M. Zizlsperger, F. Sandner, F. Schiegl, S. Maier, MA Huber, M. Gmitra, J. Fabian, JL Boland, TL Cocker und R. Huber, 13. Mai 2021, Photonik der Natur.
DOI: 10.1038 / s41566-021-00813-y