Sub-diffraction-resolved spatial distribution of emitting excitons in STM-induced luminescence of 2D semiconductors via Richardson-Lucy deconvolution

あなたは、暗い平らな葉の上にたった一匹で止まったホタルを探そうとしているところだと想像してください。あなたには、葉を見ることができる非常に強力な懐中電灯（顕微鏡）がありますが、それは少しぼやけています。ホタルが止まると、あなたの懐中電灯は光る塊を映し出します。問題は、その塊がぼやけていることです。それは大きく柔らかい光の円のように見えますが、円の中の正確にどこにホタルが立っているのか、あるいは近くに他のホタルがいて、あなたのぼやけた光がそれらを混ぜ合わせてしまっているのかどうかは分かりません。

長い間、2D材料（原子の層であり、ほとんど平らなシート状のもの）を研究している科学者たちは、まさにこの問題に直面していました。彼らは極小の鋭い金属の針（STMチップ）を使って材料に電気を送り込み、「エキシトン」と呼ばれる光る粒子を作り出していました。彼らは光を見ることはできましたが、彼らの「懐中電灯」がぼやけていたため、光が針の真下から来ているのか、それとも光る粒子が葉の他の場所へと逃げてしまったのかを判別することができませんでした。

この研究において、研究者たちはデジタル探偵のように振る舞いました。彼らは単にぼやけた写真を見るだけでなく、**リチャードソン・ルーシー・デコンボリューション（Richardson-Lucy deconvolution）**と呼ばれる巧妙なコンピュータの手法を用いて、画像を「アンブラー（ぼけ取り）」しました。これは、雨の降る窓の写真を撮り、ソフトウェアを使って数学的に雨粒を逆転させ、背後にある鮮明な街の明かりを明らかにするようなものだと考えてください。彼らは、自分たちの顕微鏡がいかに光をぼかすかという完璧なモデルをコンピュータに読み込ませることで、数学的にぼやけを取り除き、光るスポットの真の形を見出すことができました。

最初の発見： 「逃げ出した」輝き
彼らがタングステン・ジセレニド（WSe2）のシートに針で電気を流したとき、驚くべきことが分かりました。光る塊のサイズは一定ではありませんでした。電流の「音量」（トンネル電流）を0.5 nAから2.0 nAに上げると、光る領域は大きくなりました。

具体的には、光の幅（半値全幅、FWHMとして測定）は、一方の方向では約0.12 µmから0.14 µmへ、もう一方の方向では0.10 µmから0.18 µmへと成長しました。著者らは、これは電流の変化に伴って針の周囲の電界が変化するためだと示唆しています。これは、強い風がタンポポの綿毛を、着地する前により遠くまで押し飛ばすようなものです。彼らはこれを直接測定したため、この現象が起きていると確信していますが、粒子が逃げ出すのは（粒子が多すぎる場合に起こるような）粒子同士の衝突によるものではなく、この電気的な押し出しによるものであると述べています。

第2の発見： 「ゴースト」ホタル
ここからがとても面白いところです。別の材料であるタングステン・ジスルフィド（WS2）において、彼らは以前から人々を困惑させていた現象を目撃しました。彼らが材料に電気を流すと、針から数マイクロメートル離れた場所に、明るい光のスポットが現れたのです。距離にして時には8.4 µmも離れていました！

この論文が出る前、人々はこれらの遠方のスポットは、エキシトン（光る粒子）が死滅する前に葉の上をずっと走り抜けてきたものだと考えていました。しかし、著者らはこう主張しています。「いいえ、それは違います。」

彼らは、もし粒子がただ走っているだけなら、針の下のスポットが最も明るくなり、離れるにつれて光は暗くなるはずだと論じています。しかし、彼らの「アンブラー（ぼけ取り）」された写真では、これら遠方のスポットの中には、針の真下のスポットよりも明るいものさえありました。もし粒子がただ走っているだけなら、これは理に合いません。

代わりに、著者らは別の物語を提案しています。彼らは、針からの電気が、葉の上を移動する目に見えない電子を放出しているのだと示唆しています。これらの電子は、ペアになる相手を探しています。通常、葉には近くに十分なパートナー（正孔）がいません。しかし、特定の「トラップ」、例えば葉の小さな折り目やシワ（ナノフォールドと呼ばれます）には、正孔が待ち構えています。移動してきた電子がようやくこれらの折り目にある正孔を見つけると、彼らはペアになり、光ります。

したがって、遠方の光は、元の粒子が走ってきたものではありません。電子がパートナーを見つけるためにそこまで旅をして、遠くで新しい光が灯ったものなのです。 「ぼやけた」顕微鏡は、光が滑らかに広がっているように見せていましたが、デコンボリューションは、それが実際には離れた特定の場所でパッと現れていることを示しました。

画像はどれほど鮮明か？
研究者たちは、自分たちの「アンブラー（ぼけ取り）」の数学的処理に非常に自信を持っています。彼らは、偽のパターンを作り出していないことを確認するために、2つの異なるコンピュータ・スクリプトをテストしました。一方のスクリプトがもう一方よりも優れた結果を出しました。最高のスクリプトを使用することで、彼らはわずか0.105 µmの幅の光るスポットを見ることができました。

これを比較するために言えば、通常の顕微鏡が見ることができる限界（回折限界）は約0.25 µmです。彼らは、顕微鏡が理論的に許容する範囲よりも2倍から3倍小さい詳細を見事に捉えました。彼らは、通常の顕微鏡であれば一つの大きな塊に統合されてしまうような、0.295 µm離れた2つの明確なスポットさえも識別できました。

見られなかったもの
彼らが「見られなかった」ものについても触れておくことは重要です。最初の材料（WSe2）では、これらの遠方の「ゴースト」スポットは全く見られませんでした。光は針のすぐ下に留まっていました。これは、遠方のスポットがすべての2D材料における普遍的なルールではなく、特定の材料や針の設定に依存することを証明しています。

また、彼らは、遠方のスポットが単にぼやけた顕微鏡によるトリックであるという考えも否定しました。数学的にぼけを取り除くことで、遠方のスポットは、単なる大きな、ぼやけた光の端の部分ではなく、実在する鮮明な特徴であることを示しました。

結論
この論文は、鋭い針を使って2D材料に電気を流し、スマートなコンピュータ・アルゴリズムを使ってぼやけた写真をクリーンアップすることで、科学者がついに光がどこから来ているのかを正確に把握できることを示しています。彼らは、光のサイズが電流によって変化すること、そして時には、粒子がそこまで走ってきたのではなく、電気がパートナーを見つけるためにそこまで旅をしたために光が現れることがあるということを発見しました。それは、遠くで見えたホタルは、あなたが驚かせたホタルではなく、あなたの懐中電灯が信号を送り、それが葉の上を伝わって新しいホタルを目覚めさせたために、新しいホタルが灯ったのだと気づくようなものです。