Soziale Distanz auf Nanoskala

Zwischenschicht-Exzitonen (glänzende Ellipsoide), die sich bilden können, nachdem Elektronen und Löcher (rote und blaue Kugeln) zwischen optisch angeregten, atomar dünnen Schichten (obere und untere Schichten) getrennt wurden. Bildnachweis: Markus Plankl (2021)

Einem Physikerteam aus Deutschland, den USA und Großbritannien gelang es, die Bewegung von Elektronen von einer atomdünnen Schicht zu einer benachbarten Schicht mit einer räumlichen Auflösung im Nanobereich zu sehen. In der neuen Rubrik des Wissenschaftsjournals Nature Photonics wird das neue Konzept der berührungslosen Nanoskopie vorgestellt, das großes Potenzial für Untersuchungen an leitfähigen, nicht leitfähigen und supraleitenden Materialien aufweist.

Nanotechnologie klingt manchmal noch nach 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 und erreicht nur noch ein Millionstel Millimeter. Damit reichen herkömmliche Lichtmikroskope nicht mehr aus, um diese Nanostrukturen zu untersuchen. Um innovative Nanotechnologien der Zukunft zu entwickeln, haben Wissenschaftler das optische Mikroskop durch viel ausgefeiltere Konzepte wie Elektronen- oder Rastertunnelmikroskopie ersetzt. Diese Techniken verwenden jedoch Elektronen anstelle von Licht, was die Eigenschaften von Geräten im Nanomaßstab beeinflussen kann. Darüber hinaus sind diese wichtigen Messtechniken auf elektrisch leitfähige Proben beschränkt.

Ein Physikerteam um Rupert Huber und Jaroslav Fabian vom Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) der Universität Regensburg sowie die Kollegen Tyler Cocker von der Michigan State University, USA, und Jessica Boland von der University of Manchester, UK, haben “ eine neue Technik, die Elektronenbewegungen auf der Nanoskala lösen kann, ohne dass sie elektronisch kontaktiert werden müssen. Besser noch, das neue Verfahren erreicht auch eine unglaubliche Zeitauflösung sowie eine Billiardstel Sekunde (die Femtosekunden-Zeitskala). Durch die Kombination dieser extremen räumlichen und zeitlichen Auflösungen ist die Aufnahme von Zeitlupenfilmen mit ultraschneller Elektronendynamik im Nanomaßstab möglich.

Das Konzept der Technik funktioniert ähnlich wie das kontaktlose Bezahlen (Chipkarte, Telefon, Scanner), das seit Beginn der Pandemie immer häufiger Bestandteil unseres Lebens geworden ist. Diese Zahlungsmethoden basieren auf etablierten Frequenzen und makroskaligen 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 untersuchten Probe gebracht wird.

Im Gegensatz zu den oben etablierten Techniken, bei denen Spitzen verwendet werden, um einen Strom durch die Probe zu leiten, verwendet das neue Konzept ein schwach variierendes elektrisches Feld, um die Probe berührungslos zu scannen. Die in den Experimenten verwendete Frequenz wird auf den Terahertz-Spektrumbereich erhöht, etwa 100.000 Mal höher als bei NFC-Scannern. Geringfügige Änderungen dieser schwachen elektrischen Felder erlauben genaue Rückschlüsse auf die lokale Elektronenbewegung innerhalb des Materials.

Die Kombination der Messungen mit einer realistischen Quantentheorie zeigt, dass das Konzept sogar quantitative Ergebnisse ermöglicht. Auch um eine hohe zeitliche Auflösung zu erreichen, haben die Physiker mit extrem kurzen Lichtpulsen scharfe Schnappschüsse der Elektronenbewegung über Nanometer-Abstände aufgenommen.

Als erstes Testmuster wählte das Team eine Probe einer neuen Materialklasse namens Übergangsmetalldichalkogenide, die in atomdünnen Schichten hergestellt werden kann. Werden diese Platten in freien Winkeln gestapelt, entstehen neue künstliche Festkörper mit neuen Materialeigenschaften, die im Sonderforschungsbereich 1277 in Regensburg prominent untersucht werden.

Die untersuchte Probe wurde aus zwei verschiedenen atomdünnen Dichalkogeniden hergestellt, um das Zentrum einer futuristischen Solarzelle zu testen. Scheint grünes Licht auf die Struktur, erscheinen Ladungsträger, die sich je nach Polarität in die eine oder andere Richtung bewegen – das Grundprinzip einer Solarzelle, die Licht in Strom umwandelt. Die ultraschnelle Ladungstrennung wurde von Wissenschaftlern sowohl in der Zeit als auch im Weltraum mit Nanometer-Präzision beobachtet. Zu ihrer Überraschung funktioniert die Ladungstrennung sogar zuverlässig, wenn die Dicalcogenidschichten über kleinen Verunreinigungen wie einer Mini-Matte liegen – wichtige Erkenntnisse, um diese neuen Materialien für den zukünftigen Einsatz in Solarzellen oder Computerchips zu optimieren.

Die Forscher sind von ihren aufschlussreichen Ergebnissen begeistert. „Wir können es kaum erwarten, weitere faszinierende Ladungstransferprozesse in isolierenden, leitfähigen und supraleitenden Materialien auf Video aufzunehmen“, erklärt Markus Plankl, Erstautor der Publikation. Postdoktorand und Co-Autor Thomas Siday fügt hinzu: „Einblicke in den ultraschnellen Transport über relevante Längen und Zeitskalen werden uns helfen zu verstehen, wie Tunneln Funktionalitäten in einer Vielzahl von Kondensatsystemen bildet.“

Neben Nanostrukturen in der Physik gibt es heute Zugang zu bisher schwer fassbaren Quantenprozessen in biologischen Systemen. Diese Ergebnisse spiegeln die zunehmende Ausrichtung von Forschern der Biologie, Chemie und Physik an der Universität Regensburg auf die ultraschnelle Nanoskopie wider, die zur Zulassung des neuen Regensburger Zentrums für ultraschnelle Nanoskopie (RUN) führte. Das im Bau befindliche RUN-Gebäude auf dem Universitätscampus soll die optimale Umgebung für eine solche interdisziplinäre Erforschung des Nanokosmos bieten.

Referenz: „Kontaktfreie Nanoskopie des ultraschnellen Zwischenschichttransports in atomdünnen Heterostrukturen“ durch sub-bicycle-freie Nanoskopie „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, Naturphotonik.
DOI: 10.1038 / s41566-021-00813-j