超快电子显微镜为新量子器件的发展带来了重大发现

据外媒报道,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家们发现,当接近石墨烯的边缘时,黄金的纳米粒子会有不同寻常的表现。这可能对开发新的传感器和量子设备有很大影响。

这一发现是通过阿贡国家实验室的纳米级材料中心(CNM)新建立的超快电子显微镜(UEM)实现的,该中心是美国能源部科学办公室的用户设施。超快电子显微镜能够对纳米尺度的现象进行可视化和调查,而且时间范围小于一万亿分之一秒。这一发现可能会在不断增长的等离子体领域引起轰动,涉及到光照到材料表面并引发电子波,即所谓的等离子体场。

多年来,科学家们一直在追求开发具有广泛用途的等离子体设备–从量子信息处理到光电子学(结合基于光和电子元件)到用于生物和医疗的传感器。为此,他们将具有原子级厚度的二维材料,如石墨烯,与纳米级的金属颗粒结合起来。要了解这两种不同类型的材料的组合等离子体行为,就需要准确了解它们是如何耦合的。

在阿贡国家实验室的一项最新研究中,研究人员使用超快电子显微镜直接观察金纳米粒子和石墨烯之间的耦合。

阿贡国家实验室的纳米科学家刘海华(音译)说:“表面质子是纳米粒子表面或纳米粒子与另一种材料的界面上由光引发的电子振荡。当我们用光照耀纳米粒子时,它会产生一个短暂的等离子体场。当两者重叠时,我们的UEM中的脉冲电子与这个短暂存在的场相互作用,电子要么获得能量,要么失去能量。然后,我们用一个能量过滤器收集那些获得能量的电子,以绘制纳米粒子周围的等离子体场分布图。”

在研究金纳米粒子时,研究人员发现了一个不寻常的现象。当纳米粒子接近一片平整的石墨烯上时,等离子体场是对称的。但是当纳米粒子被放置在靠近石墨烯边缘时,等离子体场在边缘区域附近集中得更厉害。

刘海华说:“这是一种了不起的新思维方式,即我们如何在纳米尺度上利用光以等离子体场的形式操纵电荷和其他现象。有了超快的能力,当我们调整不同的材料和它们的属性时,不知道我们会看到什么。”

这整个实验过程,从刺激纳米粒子到检测等离子体场,发生在不到几十万亿分之一秒的时间内。

CNM主任Ilke Arslan说:“CNM在容纳一个开放给用户使用的UEM方面是独一无二的,它能够以纳米级的空间分辨率和亚皮秒的时间分辨率进行测量。有能力在如此短的时间内进行这样的测量,就可以对我们以前没有能力探测的非平衡状态下的大量新现象进行检查。我们很高兴能向国际用户群体提供这种能力。”

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