Spectroscopie à effet tunnel à balayage par ondes lumineuses de nanorubans de graphène atomiquement précis


Zoom sur l'avenir de la microscopie

Schéma illustrant une mesure microscopique dans laquelle une impulsion de lumière laser (courbe rouge) illumine une aiguille atomiquement pointue (ci-dessus) positionnée au-dessus de la surface de l’échantillon. La nanobande de graphène repose sur un substrat d’or. Les expérimentales sont affichées en bleu et montrent la distribution des électrons à travers le nanoruban. Crédit photo : Spencer Ammerman

Lorsque le physicien Tyler Cocker est arrivé à la Michigan State University en 2018, il avait un objectif clair : construire un microscope puissant qui serait le premier du genre aux États-Unis.

Cela accompli, il était temps de faire fonctionner le microscope.

« Nous savions que nous devions faire quelque chose d’utile », a déclaré Cocker, titulaire de la chaire Jerry Cowen de physique expérimentale au département de physique et d’astronomie du Collège des sciences naturelles. « Nous avons le plus beau microscope du pays. Nous devrions l’utiliser à notre avantage. »

Avec son microscope, l’équipe de Cocker utilise la lumière et les électrons pour examiner les matériaux avec une intimité et une résolution sans précédent. Les chercheurs peuvent voir des atomes et mesurer des caractéristiques quantiques dans des échantillons, qui pourraient devenir les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques et des cellules solaires de la prochaine génération.

L’équipe a donné au monde un premier aperçu de ces compétences dans le magazine le 23 novembre Communication nature, qui prennent des instantanés de la distribution des électrons dans les nanorubans de graphène.

« C’est l’une des premières démonstrations que ce type de microscope peut vous dire quelque chose de nouveau », a déclaré Cocker. « Nous sommes très enthousiastes et fiers du travail. Nous avons également toutes ces idées en tête quant à la direction que nous voulons avec elles. »

L’équipe de Cocker fait partie d’une collaboration visant à développer ces nanorubans en qubits, prononcés « q-bits », pour les ordinateurs quantiques. La collaboration s’étend sur cinq institutions et le travail est soutenu une subvention de l’Office of Naval Research, qui fournit plus de 1 million de dollars pour la contribution MSU.

Pour le Communication nature Cocker s’est associé au groupe de recherche de Roman Fasel, professeur à l’Eidgenössische Materialprüfungsanstalt. Fasel a inventé la méthode de croissance dite ascendante pour les nanorubans de graphène. Le laboratoire de Fasel a synthétisé des molécules qui, lorsqu’elles sont exposées à la chaleur, peuvent s’accumuler en rubans d’une forme et d’une taille données.

« Vous faites essentiellement cuire les molécules comme un gâteau », a déclaré Cocker. « Ensuite, les propriétés du ruban que vous obtenez sont prédéfinies. Vous savez ce que vous obtenez avant de commencer. »

Zoom sur l'avenir de la microscopie

Une illustration montre des nanorubans de graphène sur un substrat d’or. Les données expérimentales révélées par le microscope de l’État du Michigan sont indiquées en bleu au-dessus des bandes. Crédit photo : Spencer Ammerman

Le laboratoire suisse a envoyé les molécules à la MSU, où le laboratoire de Cocker a fait croître les bandes de précision, puis les a examinées au microscope. La base de l’instrument est ce qu’on appelle un microscope à effet , ou STM en abrégé, qui rapproche une pointe ou une sonde très pointue de l’échantillon à examiner sans le toucher.

Même si la pointe et l’échantillon ne sont pas en contact, les électrons peuvent sauter ou tunnel de la pointe à l’échantillon. En enregistrant comment les électrons tunnel – par exemple combien d’électrons tunnel et à quelle vitesse – le microscope crée des images haute résolution de l’échantillon et de ses propriétés.

Cocker et son équipe ont couplé ce STM conventionnel à des impulsions laser extrêmement courtes, ce qui leur permet de rapprocher encore plus la pointe du STM de l’échantillon. Cela leur permet d’extraire des informations plus détaillées d’un échantillon que jamais auparavant.

« C’est presque comme zoomer en rapprochant physiquement la pointe », a-t-il déclaré.

L’équipe a ensuite pu caractériser divers nanorubans avec une résolution atomique et ainsi fournir des informations d’une clarté sans précédent sur la façon dont les électrons sont distribués au sein de la structure.

En plus d’une publication, ce travail a également été reconnu pour ses auteurs spartiates. Le boursier postdoctoral Vedran Jelic a récemment reçu un prix lors d’un atelier en Allemagne pour son affiche de recherche. Le doctorant Spencer Ammerman a été honoré lors d’une conférence de l’Infrared, Millimeter and Terahertz Wave Society en novembre dernier pour avoir présenté le travail que Cocker a également présenté avec le Young Scientist Award 2021.

Aussi enthousiastes que Cocker et son équipe soient au sujet du nouveau journal et de ces récompenses, ils sont enthousiasmés par la suite. Par exemple, l’équipe travaille sur le passage des images fixes au tournage d’échantillons et montre comment les électrons se déplacent à l’intérieur des rubans lorsque le nanomatériau absorbe la lumière.

Les chercheurs construisent également un deuxième microscope avec le soutien d’une subvention du ministère de la Défense attribuée en juin, ce qui signifie que les deux seuls microscopes comme celui-ci aux États-Unis seront tous les deux à MSU.

« Cet article est très excitant, mais ce n’est que la première étape », a déclaré Cocker. « Nous pensons que cela ouvrira beaucoup de possibilités. »


Une stratégie pour contrôler la polarisation de spin des électrons avec de l’hélium


Plus d’information:
SE Ammerman et al., Spectroscopie à effet tunnel à balayage contrôlé par ondes lumineuses de nanorubans de graphène de précision atomique, Communication nature (2021). DOI : 10.1038 / s41467-021-26656-3

Fourni par l’Université d’État du Michigan

Citation: Lightwave-driven Scanning Tunneling Spectroscopy of Atomally Precision Graphene Nanoribbons (2021, 24 novembre), consulté le 24 novembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-11-lightwave-driven-scanning-tunneling-spectroscopy – atomiquement.html

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