原子级精确石墨烯纳米带的光波驱动扫描隧道光谱

物理学家泰勒·科克 (Tyler Cocker) 于 2018 年加入密歇根州立大学时，他有一个明确的目标：建造一台功能强大的显微镜，这将是美国首例。完成后，是时候让显微镜工作了。

“我们知道我们必须做一些有用的事情，”自然科学学院物理与天文系实验物理学主席、Jerry Cowen Endowed 主席 Cocker 说。“我们拥有全国最好的显微镜。我们应该利用它来发挥我们的优势。”

凭借其显微镜，Cocker 的团队正在使用光和电子以无与伦比的亲密度和分辨率研究材料。研究人员可以在样品中看到原子并测量量子特征，这些样品可能成为量子计算机和下一代太阳能电池的构建块。

该团队于 11 月 23 日在《自然通讯》杂志上首次向全世界展示了这些功能，拍摄了电子在所谓的石墨烯纳米带中的分布情况。

“这是这种显微镜可以告诉你一些新东西的首批演示之一，”科克说。“我们为这项工作感到非常兴奋和自豪。我们脑子里也有关于我们想要去哪里的所有这些想法。”

Cocker 的团队是合作的一部分，该合作致力于将这些纳米带开发成用于量子计算机的量子位，发音为“q-bits”。合作跨越五个机构，这项工作得到了海军研究办公室的资助，将为 MSU 的贡献提供超过 100 万美元的资助。

对于Nature Communications研究，Cocker 与瑞士联邦材料科学与技术实验室教授 Roman Fasel 的研究小组合作。Fasel 发明了所谓的石墨烯纳米带自下而上的生长方法。Fasel 的实验室已经合成了分子，通过加热，这些分子可以将自己构建成具有预定形状和大小的带状。

“你基本上像蛋糕一样烘烤分子，”科克说。“然后你最终得到的功能区的属性是预定义的。你在开始之前就知道你得到了什么。”

插图显示了金基板顶部的石墨烯纳米带。密歇根州立显微镜显示的实验数据在色带上方以蓝色显示。信用：斯宾塞·阿默曼

瑞士实验室将分子送到 MSU，在那里 Cocker 的实验室培育出精密的色带，然后用显微镜检查它们。该仪器的基础是所谓的扫描隧道显微镜或 STM，它使非常锋利的尖端或探针非常靠近被研究的样本，而无需接触它。

即使尖端和样品没有接触，电子仍然可以从尖端跳跃或隧道到样品。通过记录电子如何隧道——例如，有多少电子隧道以及多快——显微镜构建了样品及其特性的高分辨率图像。

Cocker 和他的团队所做的是将这种传统的 STM 与极短的激光脉冲相结合，使他们能够使 STM 的尖端更接近样品。因此，他们能够从样本中提取比以往任何时候都更详细的信息。

“这几乎就像我们通过物理拉近尖端来放大，”他说。

然后，该团队可以用原子分辨率表征不同的纳米带，揭示有关电子如何在结构内分布的前所未有的清晰信息。

除了出版，这部作品还因其斯巴达作家而获奖。博士后学者 Vedran Jelic 在德国最近的一次研讨会上因其有关该研究的海报而获奖。研究生研究员 Spencer Ammerman 因在去年 11 月由红外、毫米波和太赫兹波协会主办的会议上展示了这项工作而获奖，该协会还授予 Cocker 2021 年青年科学家奖。

尽管 Cocker 和他的团队对新论文和这些荣誉感到兴奋，但他们期待着接下来的发展。例如，该团队正致力于将静态图像转换为样本电影，展示电子在纳米材料吸收光时如何在带内移动。

研究人员还在 6 月份获得国防部拨款的支持下建造第二台显微镜，这意味着美国仅有的两台这样的显微镜都将在密歇根州立大学。

“这篇论文非常令人兴奋，但这也只是第一步，”科克说。“我们认为这会带来很多可能性。”

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