利用光调制单分子电子源

东京大学，JTS PRESTO，路德维希马克西米利安大学和近代大学的研究人员最近展示了通过将激光施加到单个富勒烯分子上来调制电子源。他们的研究发表在《物理评论快报》上，可以为开发性能更好的计算机和显微成像设备铺平道路。

“通过用飞秒脉冲照射锋利的金属针，我们之前已经证明了对电子发射位点的光学控制，规模约为10纳米，”进行这项研究的研究人员之一Hirofumi Yanagisawa告诉 Phys.org。“光学控制是使用等离子体效应实现的，但使用相同的原理在技术上很难使这种电子源小型化。我们正在寻找一种使电子源小型化的方法，我们想到了使用单个分子及其分子轨道的想法。

Yanagisawa和他的同事们开始利用锋利的金属针上的分子发射的电子进行实验来实现他们的想法。然而，他们很清楚他们将遇到的困难，因为与使用分子覆盖的针头的电子发射相关的未解决的困难。

“首先，目前尚不清楚电子发射是否来自单个分子，除此之外，对发射模式的解释尚不清楚，”Yanagisawa解释说。“虽然我们必须澄清一些奥秘，但我们认为，如果我们能够观察到这一点，那么从分子覆盖的针头发出的光诱导电子发射无论如何都会是一种新现象，并且这些现象将为我们提供这些棘手问题的答案。

在他们开始进行实验一年后，研究人员成功地观察到了电子发射模式的光诱导变化。了解支撑这种观测现象的物理学，需要额外的四年研究。

为了通过所谓的等离子体效应使位点选择性电子源小型化，研究人员首先需要在原子尺度上改变电子发射器的形状，这是一项技术性很强且具有挑战性的任务。因此，Yanagisawa和他的同事没有改变发射器的形状，而是试图改变通过单分子发射器的电子的电子结构(即分子轨道)。

“在这种情况下，单个分子中的电子结构定义了入射电子波的一种孔径，其中出射电子波的形状将成为孔径的形状，”Yanagisawa说。“例如，如果孔径是环形，则向外的电子波也变成环形。重要的是，在量子力学中，孔径的形状随着入射电子的能量而变化。

从本质上讲，研究人员能够通过用激光脉冲激发电子并改变其能量来改变发射器上孔径的形状。这反过来又改变了发射电子波的形状。

“我们观察到光在电子发射位点的亚纳米调制，”Yanagisawa说。“光学选择发射点可以导致超快开关的集成，其速度比计算机中的开关快三到六个数量级。

研究人员引入的技术理论上可以将超快开关整合到单个富勒烯分子中。Yanagisawa和他的同事还提出了一种集成方案，该方案允许根据需要集成任意数量的开关，而无需增加设备的尺寸，这通常是必要的。

在他们的下一个研究中，他们希望进一步提高使用他们的技术控制电子发射的能力，因为这可以促进未来将超快开关集成到单个分子中。此外，他们计划探索将其方法应用于电子显微镜技术的可能性。

事实上，除了为真空纳米电子学的创建提供信息外，他们提出的方法还可以应用于电子显微镜领域。使用光照射固体可以激发其中的电子，然后其中一些电子可以发射到真空中;一种称为光电子发射的过程。

“光电子发射显微镜(PEEM)可用于在纳米级区域观察飞秒到阿秒的电子动力学，”Yanagisawa说。“超快电子动力学起着重要作用，即使在单分子尺度上也是如此。然而，PEEM的空间分辨率约为10nm左右，因此不可能解析单个分子中的电子动力学。

该研究小组证明的单个分子的光诱导电子发射的调制可以与PEEM技术相结合。Yanagisawa和他的同事表明，基于他们方法的PEEM达到了大约0.3nm的空间分辨率，同时还解析了单分子分子轨道。

“未来，我们将使用我们的显微镜来研究单个分子中的超快电子动力学，”Yanagisawa补充道。“因为我们的PEEM使用低能电子，我们期望对生物分子的损害更小，这样我们就可以在不破坏它的情况下观察特定的生物分子。飞秒电子动力学甚至在光合作用中也起着至关重要的作用，因此我们很快希望使用我们的PEEM在单分子尺度上研究光合作用过程。

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