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.
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.
Â
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 pertoâ€, 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."