Pesquisadores da Universidade de Tóquio, JTS PRESTO, Ludwig Maximilians Universität e Kindai University demonstraram recentemente a modulação de uma fonte de elétrons aplicando luz laser a uma única molécula de fulereno. Seu estudo, apresentado na Physical Review Letters , pode abrir caminho para o desenvolvimento de computadores com melhor desempenho e dispositivos de imagem microscópica.

“Ao irradiar uma agulha metálica afiada com pulsos de femtossegundos , demonstramos anteriormente o controle óptico dos locais de emissão de elétrons em uma escala de aproximadamente 10 nm”, disse Hirofumi Yanagisawa, um dos pesquisadores que realizou o estudo. "O controle óptico foi obtido usando efeitos plasmônicos, mas era tecnicamente difícil miniaturizar uma fonte de elétrons usando o mesmo princípio. Estávamos procurando uma maneira de miniaturizar a fonte de elétrons e tivemos a ideia de usar uma única molécula e seu orbitais."

Yanagisawa e seus colegas decidiram realizar sua ideia experimentalmente usando elétrons emitidos por moléculas em uma agulha metálica afiada. No entanto, eles estavam bem cientes das dificuldades que encontrariam, devido a dificuldades não resolvidas associadas ao uso de emissões de elétrons de agulhas cobertas por moléculas.

“Por um lado, não estava claro se as emissões de elétrons se originam de moléculas únicas ou não e, além disso, a interpretação dos padrões de emissão não era clara”, explicou Yanagisawa. "Embora houvesse mistérios que precisássemos esclarecer, pensávamos que as emissões de elétrons induzidas por luz de agulhas cobertas por moléculas seriam um fenômeno novo de qualquer maneira, se pudéssemos observar isso, e que os fenômenos nos dariam respostas para essas questões intratáveis. "

Um ano depois de começarem a realizar seus experimentos, os pesquisadores observaram com sucesso mudanças induzidas pela luz nos padrões de emissão de elétrons. Compreender a física subjacente a esse fenômeno observado exigiu mais quatro anos de pesquisa.

Para miniaturizar uma fonte seletiva de elétrons por meio do chamado efeito plasmônico, os pesquisadores primeiro precisam mudar a forma de um emissor de elétrons em escala atômica, o que é uma tarefa altamente técnica e desafiadora. Em vez de mudar a forma do emissor, portanto, Yanagisawa e seus colegas tentaram mudar a estrutura eletrônica (ou seja, orbital molecular) dos elétrons que passavam por seu emissor de molécula única.

“Nesse caso, a estrutura eletrônica em uma única molécula define uma espécie de abertura para as ondas de elétrons que chegam, onde a forma das ondas de elétrons que saem se tornará a forma da abertura”, disse Yanagisawa. "Por exemplo, se a abertura for em forma de anel, as ondas de elétrons que saem também se tornam uma forma de anel. O importante é que a forma da abertura varia com a energia dos elétrons que chegam na mecânica quântica."

Essencialmente, os pesquisadores foram capazes de mudar a forma da abertura em seu emissor excitando elétrons com pulsos de laser e alterando suas energias. Isso, por sua vez, mudou a forma das ondas de elétrons emitidas.

"Observamos modulação subnanométrica em locais de emissão de elétrons pela luz", disse Yanagisawa. “Selecionar opticamente os locais de emissão pode levar a uma integração de comutadores ultrarrápidos que podem ser de três a seis ordens de grandeza mais rápidos do que os comutadores em um computador”.

A técnica introduzida pelos pesquisadores poderia teoricamente permitir a integração de interruptores ultrarrápidos em uma única molécula de fulereno. Yanagisawa e seus colegas também propõem um esquema de integração que permitiria a integração de quantos switches desejar sem a necessidade de aumentar o tamanho dos dispositivos, o que geralmente seria necessário.

Em seus próximos estudos, eles gostariam de melhorar ainda mais sua capacidade de controlar a emissão de elétrons usando sua técnica, pois isso poderia facilitar a futura integração de interruptores ultrarrápidos em moléculas individuais . Além disso, eles planejam explorar a possibilidade de aplicar seu método à tecnologia de microscopia eletrônica.

Além de informar a criação da nanoeletrônica a vácuo, de fato, o método proposto pode ser aplicado no campo da microscopia eletrônica. A irradiação de sólidos usando luz pode excitar elétrons dentro deles, e alguns desses elétrons podem então ser emitidos para o vácuo; um processo conhecido como emissão de fotoelétrons.

"Um microscópio de emissão de fotoelétrons (PEEM) pode ser usado para observar a dinâmica eletrônica de femtosegundo a attosegundo em uma área em nanoescala", disse Yanagisawa. "A dinâmica eletrônica ultrarrápida desempenha um papel importante, mesmo em uma escala de molécula única. No entanto, a resolução espacial de um PEEM é de cerca de menos de 10 nm e, portanto, não foi possível resolver a dinâmica eletrônica em uma única molécula. "

A modulação das emissões de elétrons induzidas pela luz de uma única molécula demonstrada por esta equipe de pesquisadores pode ser combinada com a tecnologia PEEM. Yanagisawa e seus colegas mostraram que um PEEM baseado em sua abordagem atinge uma resolução espacial de aproximadamente 0,3 nm, enquanto também resolve orbitais moleculares de molécula única.

"No futuro, usaremos nosso microscópio para investigar a dinâmica eletrônica ultrarrápida em uma única molécula", acrescentou Yanagisawa. "Como nosso PEEM usa elétrons de baixa energia, esperamos menos danos às biomoléculas para que possamos observar uma biomolécula específica sem destruí-la. A dinâmica eletrônica de femtosegundo desempenha um papel crucial mesmo na fotossíntese, portanto, em breve gostaríamos de investigar o processo fotossintético em uma escala de molécula única usando nosso PEEM."