Mikroskop kuantum membuat elektron terlihat dalam gerakan lambat

Fisikawan di Universitas Stuttgart di bawah kepemimpinan Profesor Sebastian Loth sedang mengembangkan mikroskop kuantum yang memungkinkan mereka untuk pertama kalinya merekam pergerakan elektron pada tingkat atom dengan resolusi spasial dan temporal yang sangat tinggi.

Metode mereka berpotensi memungkinkan para ilmuwan mengembangkan material dengan cara yang lebih tepat sasaran dibandingkan sebelumnya. Para peneliti berhasil diterbitkan Hasil mereka di Fisika alam.

“Berkat metode yang kami kembangkan, kami dapat membuat hal-hal menjadi terlihat yang belum pernah dilihat oleh siapa pun sebelumnya,” kata Profesor Loth, Managing Director Institute for Functional Materials and Quantum Technologies (FMQ) di Universitas Stuttgart mungkin untuk menyelesaikan pertanyaan tentang pergerakan elektron dalam bahan padat yang masih belum terjawab.” Temuan kelompok Loth juga sangat penting secara praktis untuk pengembangan material baru.

Perubahan kecil mempunyai dampak yang besar

Dalam logam, isolator, dan semikonduktor, dunia fisiknya sederhana. Jika Anda mengubah hanya beberapa atom pada tingkat atom, sifat makroskopisnya tetap tidak berubah. Misalnya, logam yang dimodifikasi dengan cara ini tetap dapat menghantarkan listrik, sedangkan isolator tidak.

Namun situasinya berbeda pada material yang lebih maju, yang hanya dapat diproduksi di laboratorium – perubahan halus pada tingkat atom menyebabkan perilaku baru pada tingkat makroskopis. Misalnya, beberapa bahan tiba-tiba berubah dari isolator menjadi superkonduktor, artinya bahan tersebut menghantarkan listrik tanpa kehilangan panas.

Perubahan ini dapat terjadi sangat cepat, dalam hitungan pikodetik, mempengaruhi pergerakan elektron melalui material secara langsung pada tingkat atom. Satu pikodetik sangat singkat, sepertriliun detik. Perbandingan kedipan mata sama dengan kedipan mata dalam jangka waktu lebih dari 3000 tahun.

Merekam pergerakan grup elektronik

Tim Loth kini telah menemukan cara untuk mengamati perilaku material ini selama perubahan kecil pada tingkat atom. Secara khusus, para ilmuwan mempelajari bahan yang terdiri dari unsur niobium dan selenium di mana salah satu efeknya dapat diamati dengan cara yang relatif tidak terganggu: pergerakan kolektif elektron dalam gelombang kerapatan muatan.

Loth dan timnya menyelidiki bagaimana satu hal yang tidak murni dapat menghentikan gerakan massa ini. Untuk tujuan ini, para peneliti di Stuttgart menerapkan pulsa listrik yang sangat singkat, hanya berlangsung satu pikodetik, pada material tersebut. Gelombang kepadatan muatan dikompresi ke pengotor dan mengirimkan deformasi berukuran nanometer ke dalam rakitan elektronik, menyebabkan gerakan elektronik yang sangat kompleks pada material dalam waktu singkat.

Pekerjaan pendahuluan yang penting untuk hasil yang sekarang dipresentasikan dilakukan di Institut Max Planck untuk Penelitian Padat (MPI FKF) di Stuttgart dan di Institut Max Planck untuk Struktur dan Dinamika Materi (MPD) di Hamburg, tempat Loth melakukan penelitian sebelum pengangkatannya. di Universitas Stuttgart.

Kembangkan bahan dengan sifat yang diinginkan

“Jika kita dapat memahami cara menghentikan pergerakan agregasi elektron, kita juga dapat mengembangkan material dengan sifat yang diinginkan dengan cara yang lebih tepat sasaran,” jelas Loth. Atau dengan kata lain: karena tidak ada bahan sempurna tanpa pengotor, maka metode mikroskop yang dikembangkan membantu dalam memahami bagaimana pengotor disusun untuk mencapai efek teknis yang diinginkan.

“Desain pada tingkat atom berdampak langsung pada sifat makroskopis material,” kata Loth. Efek ini dapat digunakan, misalnya, pada material ultracepat di sensor masa depan atau komponen elektronik.

Eksperimen diulang 41 juta kali per detik

“Ada cara yang sudah mapan untuk memvisualisasikan atom individu atau pergerakannya, tetapi dengan menggunakan metode ini Anda dapat mencapai resolusi spasial atau resolusi temporal yang tinggi,” jelas Loth.

Agar mikroskop baru di Stuttgart dapat mencapai kedua tujuan tersebut, fisikawan dan timnya menggabungkan mikroskop terowongan pemindaian, yang menganalisis bahan pada tingkat atom, dengan metode spektroskopi ultra-cepat yang dikenal sebagai spektroskopi pompa dan probe.

Agar pengukuran yang diperlukan dapat dilakukan, pengaturan laboratorium harus dilindungi dengan baik. Getaran, kebisingan, dan pergerakan udara berbahaya, begitu pula fluktuasi suhu dan kelembapan ruangan. “Ini karena kami mengukur sinyal yang sangat lemah sehingga mudah hilang dalam kebisingan latar belakang,” jelas Loth.

Selain itu, tim harus mengulangi pengukuran ini sesering mungkin untuk mendapatkan hasil yang berarti. Para peneliti mampu meningkatkan mikroskop mereka sedemikian rupa sehingga dapat mengulangi percobaan 41 juta kali per detik dan dengan demikian mencapai kualitas sinyal yang sangat tinggi. “Kami baru mampu melakukannya sejauh ini,” kata Loth.