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 elétrons são distribuídos 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 da superfície 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 elétrons acima da nanofita. Crédito: Spencer Ammerman

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

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

"Nós sabíamos que tínhamos que fazer algo útil", disse Cocker, presidente dotado de física experimental de Jerry Cowen no Departamento de Física e Astronomia da Faculdade de Ciências Naturais. "Temos o melhor microscópio do país. Devemos usar isso a nosso favor."

Com seu microscópio, a equipe de Cocker está usando luz e elétrons para estudar materiais com intimidade e resolução incomparáveis. Os pesquisadores podem ver átomos e medir características quânticas em amostras que podem se tornar os blocos de construção de computadores quânticos 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 elétrons são distribuídos no que são conhecidas como nanofitas de grafeno.

"Esta é uma das primeiras demonstrações de que este tipo de microscópio pode lhe dizer algo novo", disse Cocker. "Estamos muito entusiasmados e orgulhosos do trabalho. Também temos todas essas ideias em nossas cabeças sobre aonde queremos chegar com isso."

A equipe de Cocker faz parte de uma colaboração que está trabalhando para desenvolver essas nanofitas em qubits, pronuncia-se "q-bits", para computadores quânticos. A colaboração abrange cinco instituições e o trabalho é apoiado por uma bolsa do Office of Naval Research que fornecerá mais de US $ 1 milhão para a contribuição da MSU.

Para o estudo da Nature Communications , Cocker se associou ao grupo de pesquisa de Roman Fasel, professor dos Laboratórios Federais Suíços de Ciência e Tecnologia de Materiais. Fasel inventou o que é conhecido como método 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.

"Você basicamente coze as moléculas como um bolo", disse Cocker. "Então, as propriedades da fita que você acaba obtendo são predefinidas. Você sabe o que está recebendo antes de começar."

O laboratório suíço enviou as moléculas para a MSU, onde o laboratório de Cocker cultivou as fitas de precisão e as examinou com seu microscópio. A base para o instrumento é o que é conhecido como microscópio de tunelamento de varredura, ou STM, que traz uma ponta ou sonda muito afiada extremamente perto do espécime que está sendo estudado sem tocá-lo.
 
Mesmo que a ponta e a amostra não estejam em contato, os elétrons ainda podem pular ou formar um túnel da ponta até a amostra. Ao registrar como o túnel de elétrons - por exemplo, quantos elétrons fazem um túnel e com que rapidez - o microscópio constrói 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.

“É quase como se estivéssemos 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 elétrons são distribuídos dentro da estrutura.

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

Por mais empolgados que Cocker e sua equipe estejam com o novo jornal e esses elogios, eles estão ansiosos para o que vem por aí. Por exemplo, a equipe está trabalhando para passar de imagens estáticas a filmes de amostras, mostrando como os elétrons se movem dentro das fitas à medida que o nanomaterial absorve luz.

Os pesquisadores também estão construindo um segundo microscópio com o apoio de uma bolsa do Departamento de Defesa concedida em junho, o que significa que os únicos dois microscópios como este nos EUA estarão ambos no MSU.

"Este artigo é muito empolgante, mas também é apenas o primeiro passo", disse Cocker. "Achamos que vai abrir muitas possibilidades."

 

.
.

Leia mais a seguir