來自德國、美國和英國的一組物理學家近日設法在納米級空間分辨率下，觀察電子從一個原子薄層到相鄰層的運動情況。這種全新的非接觸式納米顯微鏡概念在研究導電、非導電和超導材料方面具有巨大潛力，相關研究發表在最新的《Nature Photonics》中。
納米技術有時聽起來仍然像科幻小說，但已經是我們計算機、智能手機和汽車中現代電子產品不可或缺的一部分。晶體管和二極管等電子元件的尺寸已達到納米級，僅相當於百萬分之一毫米。這使得傳統的光學顯微鏡不再足以檢查這些納米結構。
為了開發創新的未來納米技術，科學家們用更複雜的概念取代了光學顯微鏡，例如電子或掃描隧道顯微鏡。然而，這些技術使用電子而不是光，這會影響納米器件的特性。此外，這些重要的測量技術僅限於導電樣品。
來自雷根斯堡大學雷根斯堡超快納米研究中心 (RUN) 的 Rupert Huber 和 Jaroslav Fabian，聯合來自美國密歇根州立大學的 Tyler Cocker、英國曼徹斯特大學的 Jessica Boland 共同介紹了一種新技術，它可以在不需要電接觸的情況下解決納米級的電子運動。
更優秀的是，新方法還達到了令人難以置信的時間分辨率，達到了千萬億分之一秒（飛秒時間尺度）。結合這些極端的空間和時間分辨率，可以在納米尺度上記錄超快電子動力學的慢動作電影。
該技術背後的概念類似於非接觸式支付（芯片卡、電話、掃描儀），自大流行開始以來，非接觸式支付已成為我們生活中越來越普遍的組成部分。這些支付方式基於宏觀尺度上的既定頻率和協議，例如近場通信 (NFC)。在這裡，科學家們通過使用尖銳的金屬尖端作為納米天線將這一想法轉化為納米級，該天線靠近被研究的樣品。
與上述已建立的技術相比，尖端用於驅動電流通過樣品，新概念使用弱交變電場以非接觸方式掃描樣品。實驗中使用的頻率被提升到太赫茲光譜範圍，比 NFC 掃描儀中使用的頻率高約 100,000 倍。這些弱電場的微小變化允許對材料內的局部電子運動得出準確的結論。
將測量結果與現實的量子理論相結合，表明該概念甚至可以得到定量結果。為了另外實現高時間分辨率，物理學家使用極短的光脈衝來記錄電子在納米距離上運動的清晰快照。
該團隊選擇了一種稱為過渡金屬二硫屬化物的新材料類別的樣品作為他們的第一個測試樣品，該材料可以在原子級薄層中生產。當這些片材以自由選擇的角度堆疊時，新的人造固體就會出現，具有新的材料特性，雷根斯堡合作研究中心 1277 對此進行了突出研究。
正在研究的樣品由兩種不同的原子級薄二硫屬化物製成，以測試未來太陽能電池的核心部件。當綠光照射到結構上時，會出現電荷載流子，根據它們的極性向一個或另一個方向移動——這是將光轉化為電能的太陽能電池的基本原理。
科學家們在時間和空間中都以納米精度觀察到了超快電荷分離。令他們驚訝的是，當二硫屬化物層像迷你地毯一樣覆蓋在微小雜質上時，電荷分離甚至可以可靠地進行——這是優化這些新材料以供未來用於太陽能電池或計算機芯片的重要見解。