Osservare le onde di un lago di elettroni oscillare
I ricercatori osservano e controllano le onde superficiali ultraveloci nel grafene
Immaginate di trovarvi in riva a un lago e di gettare un sasso nell'acqua. Le onde si propagano in cerchio e si riflettono. I ricercatori dell'Università di Regensburg, insieme ai colleghi di Milano e Pisa, hanno trasformato questo fenomeno quotidiano in un affascinante mondo in miniatura: hanno osservato la propagazione delle onde - non sull'acqua, ma su un "lago di elettroni" - utilizzando una delle più veloci telecamere al rallentatore su scala nanometrica.
In linea di principio, questi laghi di elettroni si trovano sulle superfici dei metalli o dei materiali con proprietà simili ai metalli. Nel loro caso, si trattava del grafene, un cosiddetto materiale bidimensionale costituito da un solo strato di atomi di carbonio. Invece di una pietra, gli scienziati hanno utilizzato impulsi laser, che hanno focalizzato su una punta metallica affilata situata direttamente sopra la superficie del materiale in questione. "La luce fa vibrare gli elettroni della punta", spiega Simon Anglhuber dell'Istituto di fisica sperimentale e applicata della UR. "Le vibrazioni risultanti esercitano una forza sugli elettroni del grafene. Questo movimento fa sì che un'onda circolare di densità di elettroni si propaghi sotto la punta nel grafene". Quest'onda può riflettersi sui bordi del campione e tornare alla punta. La riflessione può quindi essere misurata direttamente per via ottica, convertendo l'onda di elettroni in luce in un processo inverso a quello precedente. Muovendo la punta con estrema precisione sul campione, è possibile registrare un filmato che mostra l'oscillazione dell'onda in diversi punti in un determinato momento.
Analisi di alta precisione del moto ondoso
A differenza degli studi precedenti, la nuova tecnica permette di seguire la propagazione di queste onde elettroniche direttamente nello spazio e nel tempo. Tutto ciò è stato ottenuto con una risoluzione nell'ordine dei nanometri, cioè sulla scala di lunghezza rilevante della tecnologia dei semiconduttori più avanzata (1 nm = 10-9 m), e con una risoluzione temporale nell'ordine dei femtosecondi. In termini di risoluzione temporale, il metodo utilizzato è paragonabile a una telecamera al rallentatore ultraveloce con una frequenza di oltre 10 trilioni di fotogrammi al secondo (>10¹³ fps). Il risultato è un'analisi di alta precisione del moto ondoso, comprese velocità, attenuazione e frequenza, senza complesse trasformazioni computazionali. In particolare, i ricercatori hanno potuto osservare una differenza tra la propagazione del centro di gravità dell'onda rispetto alla propagazione delle singole creste e delle depressioni. Misurando con precisione queste due velocità, è possibile trarre conclusioni sulle proprietà del materiale in cui si propagano le onde.
Nell'esperimento, i ricercatori hanno confrontato campioni di grafene provenienti da diversi metodi di produzione e hanno riscontrato differenze significative nella propagazione delle onde, che potrebbero essere attribuite alla diversa qualità dei campioni. Ciò contribuisce all'ulteriore sviluppo di campioni migliori che possono essere utilizzati in dispositivi optoelettronici, come i sensori di luce altamente sensibili. L'aspetto particolarmente degno di nota è che il metodo funziona anche per le onde di elettroni fortemente attenuate nella cosiddetta gamma del terahertz e del medio infrarosso - una gamma compresa tra la nostra rete 5G e la luce visibile, finora difficilmente accessibile.
Controllo ultraveloce delle onde di superficie
Come ultimo passo, i ricercatori hanno utilizzato un altro impulso laser per interrompere il lago di elettroni nel campione di grafene mentre l'onda elettronica si propagava. I ricercatori sono stati così in grado di attenuare selettivamente l'onda non appena hanno attivato il secondo impulso laser. Di conseguenza, non solo è possibile osservare le onde e imparare qualcosa sul materiale nella sua forma statica, ma anche esercitare un'influenza e modificare le proprietà del materiale in modo ultraveloce. Questo controllo diretto delle onde di densità degli elettroni potrebbe essere un passo decisivo verso la costruzione di nuovi elementi elettronici la cui velocità di clock potrebbe essere più di mille volte superiore a quella dell'elettronica attuale.
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Pubblicazione originale
Simon Anglhuber, Martin Zizlsperger, Eva A. A. Pogna, Yaroslav A. Gerasimenko, Anastasios D. Koulouklidis, Imke Gronwald, Svenja Nerreter, Leonardo Viti, Miriam S. Vitiello, Rupert Huber, Markus A. Huber; "Spacetime Imaging of Group and Phase Velocities of Terahertz Surface Plasmon Polaritons in Graphene"; Nano Letters, 2025-1-2
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