Atomic scale imaging of ultrafast electron dynamics

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H00341
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: Yoshida Shoji 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (90447227)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 走査プローブ顕微鏡

Outline of Final Research Achievements

We have significantly improved the time-resolved terahertz STM system to enable imaging of the dynamics of photoexcited carriers and electrons in materials with sub-picosecond time resolution and atomic- to nanoscale spatial resolution. Using the improved system, we have successfully imaged electron dynamics in C60 organic thin films with high spatio-temporal resolution and captured movies of electrons moving around in nanoscale regions on the surface on a picosecond time scale. We also succeeded in observing the dynamics of excitons in two-dimensional layered semiconductors, and showed that this technique can be extended to ultrafast dynamics in various materials.

Free Research Field

薄膜・表面

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

物質の機能を解明するためには、光や電場などを物質に加えた際の電子のふるまいを詳細に観察し理解することが必要不可欠であり、物質中の電子のダイナミクスを高い時空間分解能で可視化する技術が求められている。我々は、そのような要請を満たす装置として時間分解テラヘルツSTMを開発と改良を進め、サブナノメートルの空間分解能かつサブピコ秒の時間分解能で物質中の電子ダイナミクスを実空間イメージングすることに成功している。単一欠陥が電子ダイナミクスに与える影響を解析するなど他の手法・装置では不可能な計測が可能であることから高い独自性と学術的意義があり、様々な物質の新機能を開拓するために応用されていくと期待される。