Tecnologia Científica

Espectroscopia de tunelamento por varredura conduzida por ondas de luz de nanofitas de grafeno atomicamente precisas
A equipe deu ao mundo o primeiro vislumbre dessas capacidades em 23 de novembro na revista Nature Communications , tirando fotos de como os elanãtrons são distribua­dos no que são conhecidas como nanofitas de grafeno.
Por Matt Davenport - 23/11/2021


Um esquema que representa uma medição de microscopia onde um pulso de luz laser (curva vermelha) ilumina uma agulha atomicamente afiada (topo) posicionada acima dasuperfÍcie da amostra. A nanofita de grafeno fica em cima de um substrato de ouro. Os dados experimentais são mostrados em azul, revelando a distribuição de elanãtrons acima da nanofita. Crédito: Spencer Ammerman

Quando o fa­sico Tyler Cocker ingressou na Michigan State University em 2018, ele tinha um objetivo claro: construir um microsca³pio poderoso que seria o primeiro desse tipo nos Estados Unidos.

Feito isso, era hora de colocar o microsca³pio para funcionar.

"Na³s saba­amos que ta­nhamos que fazer algo útil", disse Cocker, presidente dotado de física experimental de Jerry Cowen no Departamento de Fa­sica e Astronomia da Faculdade de Ciências Naturais. "Temos o melhor microsca³pio dopaís. Devemos usar isso a nosso favor."

Com seu microsca³pio, a equipe de Cocker estãousando luz e elanãtrons para estudar materiais com intimidade e resolução incompara¡veis. Os pesquisadores podem ver a¡tomos e medir caracteri­sticas qua¢nticas em amostras que podem se tornar os blocos de construção de computadores qua¢nticos e células solares de próxima geração.

A equipe deu ao mundo o primeiro vislumbre dessas capacidades em 23 de novembro na revista Nature Communications , tirando fotos de como os elanãtrons são distribua­dos no que são conhecidas como nanofitas de grafeno.

"Esta éuma das primeiras demonstrações de que este tipo de microsca³pio pode lhe dizer algo novo", disse Cocker. "Estamos muito entusiasmados e orgulhosos do trabalho. Tambanãm temos todas essas ideias em nossas cabea§as sobre aonde queremos chegar com isso."

A equipe de Cocker faz parte de uma colaboração que estãotrabalhando para desenvolver essas nanofitas em qubits, pronuncia-se "q-bits", para computadores qua¢nticos. A colaboração abrange cinco instituições e o trabalho éapoiado por uma bolsa do Office of Naval Research que fornecera¡ mais de US $ 1 milha£o para a contribuição da MSU.

Para o estudo da Nature Communications , Cocker se associou ao grupo de pesquisa de Roman Fasel, professor dos Laborata³rios Federais Sua­a§os de Ciência e Tecnologia de Materiais. Fasel inventou o que éconhecido como manãtodo de crescimento de baixo para cima para nanofitas de grafeno . O laboratório de Fasel sintetizou moléculas que, com a adição de calor, podem se transformar em fitas com formato e tamanho predeterminados.

"Vocaª basicamente coze as moléculas como um bolo", disse Cocker. "Então, as propriedades da fita que vocêacaba obtendo são predefinidas. Vocaª sabe o que estãorecebendo antes de comea§ar."

O laboratório suiço enviou as moléculas para a MSU, onde o laboratório de Cocker cultivou as fitas de precisão e as examinou com seu microsca³pio. A base para o instrumento éo que éconhecido como microsca³pio de tunelamento de varredura, ou STM, que traz uma ponta ou sonda muito afiada extremamente perto do espanãcime que estãosendo estudado sem toca¡-lo.
 
Mesmo que a ponta e a amostra não estejam em contato, os elanãtrons ainda podem pular ou formar um taºnel da ponta atéa amostra. Ao registrar como o taºnel de elanãtrons - por exemplo, quantos elanãtrons fazem um taºnel e com que rapidez - o microsca³pio constra³i imagens de alta resolução da amostra e suas propriedades.

O que Cocker e sua equipe fizeram foi acoplar este STM convencional a pulsos extremamente curtos de luz laser, o que os permite aproximar ainda mais a ponta do STM da amostra. Como resultado, eles são capazes de extrair informações mais detalhadas de uma amostra do que nunca.

“a‰ quase como se estivanãssemos ampliando ao trazer a ponta fisicamente para mais perto”, disse ele.

A equipe poderia então caracterizar diferentes nanofitas com resolução atômica, revelando informações claras sem precedentes sobre como os elanãtrons são distribua­dos dentro da estrutura.

Além de uma publicação, este trabalho também ganhou prêmios por seus autores espartanos. O bolsista de pa³s-doutorado Vedran Jelic ganhou um praªmio por seu pa´ster sobre a pesquisa em um workshop recente na Alemanha. O pesquisador estudante de graduação Spencer Ammerman ganhou um praªmio por apresentar o trabalho em novembro passado em uma conferaªncia organizada pela Infrared, Millimeter e Terahertz Wave Society, que também concedeu a Cocker o praªmio 2021 Young Scientist.

Por mais empolgados que Cocker e sua equipe estejam com o novo jornal e esses elogios, eles estãoansiosos para o que vem por aa­. Por exemplo, a equipe estãotrabalhando para passar de imagens esta¡ticas a filmes de amostras, mostrando como os elanãtrons se movem dentro das fitas a  medida que o nanomaterial absorve luz.

Os pesquisadores também estãoconstruindo um segundo microsca³pio com o apoio de uma bolsa do Departamento de Defesa concedida em junho, o que significa que os aºnicos dois microsca³pios como este nos EUA estara£o ambos no MSU.

"Este artigo émuito empolgante, mas também éapenas o primeiro passo", disse Cocker. "Achamos que vai abrir muitas possibilidades."

 

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