横滨国立大学 太赫兹场驱动扫描隧道发光光谱的基本概念
太赫兹场驱动的非弹性隧穿电子可以诱导局域等离激元发光
学分:横滨国立大学 自21世纪10年代初以来，太赫兹扫描隧道显微镜(THz-STM)已经实现了原子级分辨率的材料超快速探测
但是这些设备不能检测到在事件中发生的能量耗散，例如当光子通过发光二极管中的电子-空穴对的复合过程发射时
然而，一项新技术允许在太赫兹扫描隧道显微镜旁边跟踪这种能量动力学，为纳米科学和技术的研究开辟了新的途径
日本的研究人员开发了一种显微技术，该技术结合了在飞秒时间尺度上操纵电子运动的能力和以亚纳米分辨率探测光子的能力
这种新方法为科学家提供了一个新的平台来进行涉及量子系统的传感和控制的实验，为纳米科学和纳米技术的发展打开了新的大门
该团队由横滨国立大学和RIKEN的科学家组成，他们在1月27日的《ACS光子学》杂志上公布了他们技术的细节
扫描隧道显微镜(STM)是在1981年开发的，作为一种在原子水平上产生表面图像的仪器
这项技术依赖于量子隧道现象，在这种现象中，一个粒子“隧道”穿过一个原本无法穿透的屏障
显微镜正在研究的表面被一个非常精细和锋利的导电尖端所感知
当尖端接近表面时，施加在尖端和表面上的电压允许电子穿过它们之间的真空隧道
这种隧道效应产生的电流反过来提供了关于物体的信息，这些信息可以被转换成视觉图像
在21世纪10年代初，扫描隧道显微镜在太赫兹扫描隧道显微镜技术上取得了巨大的进步，该技术在扫描隧道显微镜的扫描探针尖端使用超快电场脉冲，以低于皮秒(万亿分之一秒)的时间尺度操纵电子
这对于原子级分辨率的材料超快探测非常有用，但是不能探测在量子转换过程中发生的能量耗散
例如，这包括电子-光子转换，即当电子或空穴的注入击中发光二极管时，在发光二极管半导体材料中正好释放出一个光子
将扫描隧道显微镜的超快原子级分辨率与跟踪这种能量扩散的动力学结合起来将是非常有用的
一项名为扫描隧道发光光谱(STL)的技术确实可以跟踪这种动力学，它测量由隧道电子转换的光子，并与太赫兹扫描隧道显微镜平行发展
STL提供了关于光子能量、强度、极化和由电子隧穿触发的发射效率的丰富信息
共同领导这项研究的横滨国立大学的武田君说:“但是太赫兹扫描隧道显微镜和STL从来没有在一个单一的装置中结合过。”
“所以我们把这两种技术结合在一起
" 放置一个透镜，使太赫兹脉冲聚焦到扫描隧道显微镜的尖端
由这些脉冲产生的光子随后用第二个透镜收集并导向光子检测器，允许在原子水平上对材料进行STM超快探测期间发生的量子转换的能量动力学进行所需的研究
这揭示了在极高电压下等离子体激元(表面电子)的超快激发
“这种激发反过来可以为‘等离子体纳米腔’中光-物质相互作用的实验和探索提供一个独特的新平台，”也是这项研究的共同负责人的片山益夫说
等离子体纳米腔是一种用于捕获光的纳米级结构，但这将涉及这些表面电子
纳米腔方法应该能够研究半导体和其他分子系统中电子隧穿产生的能量动力学，时间尺度甚至是一飞秒——一秒的千分之几十亿分之一，或者是分子动力学(单个原子或分子的物理运动)发生所需的时间
这将允许对量子系统进行更大的感知和控制，为纳米技术和科学提供新的见解和进步
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