Chemiker der Columbia University rüsten stroboSCAT-Mikroskop auf, um einzelne Quantenteilchen zu verfolgen
Ein Verfahren mit zyklischer Lichtintensität erlaubt es Forschenden, einzelne Elektronen und Quasiteilchen in zweidimensionalen Halbleitern zu isolieren
Der Chemiker Milan Delor und der Doktorand Jack Tulyag von der Columbia University haben ein optisches Bildgebungsverfahren namens stroboSCAT weiterentwickelt, um einzelne Quantenenergieträger in Echtzeit zu beobachten. Das in der Fachzeitschrift Nature Materials beschriebene verbesserte System filtert Messrauschen durch zyklische Laserintensitäten heraus und ermöglicht so die Isolierung einzelner Elektronen, die sich durch zweidimensionale Halbleiter bewegen.
Zyklische Lichtintensität zur Isolierung einzelner Ladungen
Das neueste stroboSCAT-Instrument, eine bahnbrechende Innovation in der nanoskaligen Bildgebung, nutzt stroboskopartige Lichtpulse, um zu filmen, wie sich Energie durch Festkörper bewegt. Der Chemiker und Erfinder Milan Delor entwickelte das Mikroskop erstmals 2019, als er als Postdoktorand bei Naomi Ginsberg an der University of California, Berkeley forschte, wie Phys.org berichtet. Über mehrere Jahre hinweg verbesserte das Delor Lab an der Columbia University die zeitliche Auflösung auf Femtosekunden und die räumliche Präzision auf wenige Nanometer, um Phänomene von Elektronen bis hin zu ladungsneutralen Quasiteilchen wie Exzitonen und Phononen zu verfolgen. Frühere Versionen erforderten hohe Ladungsträgerdichten, wodurch einzelne Teilchen im Hintergrundrauschen untergingen, während sie sich über die Probe verteilten.
„Das ist für mich ein Durchbruch. Wir können Informationen über den Transport gewinnen, ohne uns um Artefakte aus Vielteilchen-Wechselwirkungen sorgen zu müssen“,
— Milan Delor, Chemiker an der Columbia University
Ein aus der Spektroskopie adaptierter Lösungsansatz
Um das Rauschproblem zu lösen, adaptierte das Team einen spektroskopischen Ansatz, der ursprünglich von Forschenden der Universität Würzburg und der University of Ottawa eingeführt wurde. Während die ursprüngliche Methode spektroskopische Daten ohne räumliche Details erfasste, wandten Delor und Tulyag das Konzept auf die räumliche Bildgebung an, indem sie die zur Anregung des Materials verwendete Lichtintensität modulierten. Dieses Durchlaufen verschiedener Intensitäten ermöglicht es dem System, einzelne Quantenzustände von kollektiven Teilchenwechselwirkungen zu unterscheiden, während sie sich durch den realen Raum bewegen, wie Phys.org ausführt. Diese Erfindung eliminiert Störungen durch Vielteilchen-Artefakte und gestattet es Forschenden, saubere Transportmessungen in einem 2D-Halbleiter aufzuzeichnen.
Kartierung von Defekten und frei zugängliche Baupläne
Über die Beobachtung einzelner Teilchen hinaus kann die modernisierte Technik auch Mehrteilchendynamiken isolieren, darunter Zwei- und Dreiteilchen-Wechselwirkungen. Die Forschenden demonstrierten dies, indem sie kartierten, wie Kristalldefekte die lokalen elektronischen Eigenschaften von 2D-Materialien verändern, und lichtinduzierte Phasenübergänge in einem superatomaren Festkörper verfolgten. Anstatt ein Patent anzumelden oder das geistige Eigentum einzuschränken, bestätigte Delor gegenüber Phys.org, dass die Gruppe die Baupläne und die Betriebssoftware des Mikroskops frei verteilt, um eine breitere Nutzung in anderen Laboren zu fördern. Als Nächstes plant das Team der Columbia University, Cooper-Paare – die für Supraleitung verantwortlichen gepaarten Elektronen – sowie makroskopische Quantenkondensate zu untersuchen.
Lesen Sie auch auf The Patent: UT Southwestern entwickelt vielseitiges 3D-Mikroskop für die Bildgebung lebender Zellen · Hopcopter erhält gelenkigen Fußaufsatz für unwegsames Gelände
Automatisch aus dem englischen Original übersetzt. Original lesen
