Wetenschappers observeren en controleren ultrasnelle oppervlaktegolven op grafeen

Wetenschappers observeren en controleren ultrasnelle oppervlaktegolven op grafeen

Artistieke weergave van een oppervlakteplasmonpolaritongolf (gouden oppervlaktegolf) gegenereerd onder een scherpe metalen punt op een atomair dunne grafeenlaag (hexagonaal bal-en-stokmodel). Krediet: Simon Anglhuber

Stel je voor dat je bij een meer staat en een steen in het water gooit. Golven verspreiden zich in cirkelvormige patronen en kunnen reflecteren op obstakels en grenzen. Onderzoekers van de Universiteit van Regensburg hebben, in samenwerking met collega’s uit Milaan en Pisa, dit alledaagse fenomeen nagebootst in een fascinerende miniatuurwereld: ze observeerden de voortplanting van golven – niet op water maar in een ‘elektronenzee’ – met behulp van een van de snelste slow-motioncamera’s op nanoschaal. De studie is gepubliceerd in Nano-brieven.

Dergelijke elektronenzeeën worden doorgaans aangetroffen op de oppervlakken van metalen of materialen met metallische eigenschappen. In dit geval was het materiaal grafeen, een zogenaamd tweedimensionaal materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. In plaats van een steen gebruikten de wetenschappers laserpulsen, waarbij ze werden gefocust op een scherpe metalen punt die net boven het oppervlak van het materiaal was geplaatst.

‘Het licht zet de elektronen in de punt in beweging’, legt Simon Anglhuber van het Institute of Experimental and Applied Physics van de UR uit. De resulterende oscillaties oefenen een kracht uit op de elektronen in grafeen.

Dit genereert een cirkelvormige elektronendichtheidsgolf die zich voortplant door het grafeen onder de punt. De golf kan reflecteren op de randen van het monster en terugreizen naar de punt. Deze reflecties kunnen vervolgens optisch worden gemeten door het vorige proces om te keren en de elektronengolf weer in licht om te zetten. Door de punt nauwkeurig over het monster te bewegen, konden de onderzoekers een film opnemen die de oscillatie van de golf op verschillende locaties in de loop van de tijd liet zien.

Uiterst nauwkeurige analyse van golfbewegingen

De nieuwe techniek maakt de directe observatie van de voortplanting van elektronengolven in zowel ruimte als tijd mogelijk. Dit werd bereikt met een resolutie op nanometerschaal – relevant voor moderne halfgeleidertechnologieën – en een temporele resolutie in het femtosecondebereik. Qua temporele resolutie is de methode te vergelijken met een ultrasnelle slowmotioncamera met een framesnelheid van ruim 10 biljoen frames per seconde.

Het resultaat is een zeer nauwkeurige analyse van de golfbeweging, inclusief de snelheid, demping en frequentie ervan, zonder dat hiervoor complexe computertransformaties nodig zijn. De onderzoekers observeerden met name een onderscheid tussen de voortplanting van het massamiddelpunt van de golf en de voortplanting van individuele golfpieken en -dalen. Door deze twee snelheden nauwkeurig te meten, is het mogelijk de eigenschappen af ​​te leiden van het materiaal waardoor de golven zich voortplanten.

In hun experimenten vergeleken de onderzoekers grafeenmonsters die met verschillende methoden waren geproduceerd en vonden ze significante verschillen in golfvoortplanting, die verband hielden met variaties in de monsterkwaliteit. Deze bevindingen zullen naar verwachting bijdragen aan de ontwikkeling van betere monsters voor gebruik in opto-elektronische apparaten, zoals zeer gevoelige lichtsensoren.

Opmerkelijk genoeg werkt de methode ook voor zwaar gedempte elektronengolven in het zogenaamde terahertz- en midden-infraroodbereik – een spectraal gebied tussen ons 5G-netwerk en zichtbaar licht dat tot nu toe moeilijk toegankelijk was.

Ultrasnelle controle van oppervlaktegolven

Als laatste stap gebruikten de onderzoekers nog een laserpuls om opzettelijk de elektronenzee in het grafeenmonster te verstoren terwijl de elektronengolf zich voortplantte. Door de tweede laserpuls op te nemen, konden ze de golf selectief verzwakken. Dit maakt niet alleen observatie van de golven en inzicht in het materiaal in zijn statische vorm mogelijk, maar maakt ook controle en ultrasnelle wijziging van materiaaleigenschappen mogelijk.

Deze directe controle van elektronendichtheidsgolven zou een belangrijke stap kunnen zijn in de richting van de ontwikkeling van nieuwe elektronische componenten met kloksnelheden die meer dan duizend keer sneller zijn dan de huidige elektronica.

Meer informatie:
Simon Anglhuber et al, Ruimtetijdbeeldvorming van groeps- en fasesnelheden van Terahertz Surface Plasmon Polaritons in grafeen, Nano-brieven (2025). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c04615

Tijdschriftinformatie:
Nano-brieven

Aangeboden door Universität Regensburg

Nieuwste artikelen

spot_img

Related Stories

Leave A Reply

Vul alstublieft uw commentaar in!
Vul hier uw naam in