Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en de University of Nebraska hebben een eenvoudigere manier ontwikkeld om elektronen te genereren voor beeldvorming en detectie op nanoschaal, een nuttig nieuw hulpmiddel voor materiaalwetenschap bieden, bio-imaging en fundamenteel kwantumonderzoek.

In een studie gepubliceerd in de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde , de onderzoekers meldden dat het afvuren van intense laserpulsen door een glasvezel-nanotip ervoor zorgde dat de punt elektronen uitzond, het creëren van een snel "elektronenkanon" dat kan worden gebruikt om materialen te sonderen. Met het apparaat kunnen onderzoekers snel oppervlakken vanuit elke hoek onderzoeken, wat een enorm voordeel biedt ten opzichte van minder mobiele bestaande technieken.

"Het werkt volgens het principe van lichtactivering, dus licht komt binnen en stimuleert de elektronen in het metaal precies op de juiste manier zodat ze genoeg energie krijgen om eruit te komen, " zei Ali Passian van ORNL's Quantum Information Science-groep.

Elektronen zijn van onschatbare waarde om oppervlaktekenmerken van materialen van dichtbij te bekijken. De subatomaire deeltjes, die kortere golflengten hebben dan fotonen - lichtdeeltjes - kunnen objecten op nanometer vergroten, of een miljardste van een meter, resolutie—exponentieel hoger dan lichtvergroting.

Sinds het midden van de jaren 2000, onderzoekers hebben scherpe nanotips gebruikt om elektronen uit te zenden in strak gerichte bundels. De nanotips bieden een verbeterde ruimtelijke en temporele resolutie in vergelijking met andere scanning-elektronenmicroscopietechnieken, onderzoekers helpen om lopende interacties op nanoschaal beter te volgen. Bij deze technieken elektronen worden uitgezonden wanneer fotonen de uiteinden exciteren.

Voorafgaand aan deze studie, echter, nanotip-emissiemethoden zijn gebaseerd op externe lichtstimulatie. Om elektronen te genereren, onderzoekers moesten laserstralen zorgvuldig uitlijnen op de top van de nanotip.

"Eerder, lasers moesten de tips volgen, wat technologisch veel moeilijker is om te doen, " zei Herman Batelaan, een co-auteur van de studie die het onderzoek naar elektronencontrole leidt aan de Universiteit van Nebraska. De moeilijkheidsgraad van de taak beperkte hoe snel beelden konden worden genomen en vanuit welke positie.

Maar Passian had een idee voor een andere aanpak. Door laserlicht door een flexibele optische vezel te schieten om de taps toelopende, met metaal beklede nanotip van binnenuit, hij voorspelde dat hij een gemakkelijker manoeuvreerbaar hulpmiddel zou kunnen creëren.

"Het idee was dat omdat dit eenvoudig en ingesloten is - het licht plant zich van binnenuit - je verschillende delen van het materiaal op verschillende hoogten en laterale posities kunt onderzoeken, ' zei Passian.

Om erachter te komen of zijn idee mogelijk was, Passian werkte samen met Batelaan en vervolgens afgestudeerde student Sam Keramati aan de Universiteit van Nebraska. Het Nebraska-team gebruikte een femtoseconde laser om ultrakorte, intense pulsen door een optische vezel en in een vacuümkamer. In de kamer, het licht bewoog door een met goud beklede vezel nanotip die bij ORNL was gefabriceerd.

Het team observeerde inderdaad gecontroleerde elektronenemissie van de nanotip. Analyseren van de gegevens, zij stelden voor dat het mechanisme dat de emissie mogelijk maakt niet eenvoudig is, maar omvat eerder een combinatie van factoren.

Een factor is dat de vorm en metalen coating van de nanotip een elektrisch veld genereert dat helpt om elektronen uit de tip te duwen. Een andere factor is dat dit elektrische veld aan de top van de nanotip kan worden versterkt door specifieke golflengten van laserlicht.

"Door de femtoseconde laser af te stemmen op de juiste golflengte, die we de oppervlakteplasmonresonantiegolflengte noemen, we ontdekten dat we boven de drempelwaarde kwamen, "Zei Keramati. Oppervlakteplasmonresonantie betekent een collectieve oscillatie van de elektronen aan het oppervlak van het metaal. Boven de drempelwaarde treedt emissie op wanneer elektronen voldoende energie van fotonen absorberen om met een initiële kinetische energie eruit te worden geschoten.

Om te verifiëren dat de elektronen werden uitgezonden door licht en niet door warmte, het team bestudeerde de nanotips zelf. De tips liepen geen schade op tijdens het experiment, wat aangeeft dat het emissiemechanisme inderdaad door licht wordt aangedreven.

Een bijkomend voordeel van de nieuwe techniek, ze vonden, is dat de snelle schakelcapaciteit van de laserbron hen in staat stelt de elektronenemissie te regelen met snelheden hoger dan een nanoseconde. Dit geeft ze een betere manier om snel foto's te maken. Dergelijke afbeeldingen kunnen vervolgens bijna als een film worden samengevoegd om complexe interacties op nanoschaal te volgen.

De stroom uitzetten

Blij met deze eerste bevindingen, het team besloot te testen of ze een vergelijkbaar resultaat konden bereiken met een veel minder krachtige continue golflaser, hetzelfde type gevonden in een alledaagse laserpointer. Om het gebrek aan laservermogen te compenseren, ze hebben de spanning op de nanotip verhoogd, het creëren van een verschil in energiepotentieel waarvan ze dachten dat het zou kunnen helpen elektronen te verdrijven. Tot hun verbazing, het werkte.

"Voor zover wij weten is dit de kleinste laserintensiteit die aanleiding heeft gegeven tot elektronenemissie van nanotips, "Keramati, nu een postdoctoraal onderzoeker, zei van de resultaten gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven .

"In plaats van een krachtige, extreem dure laser, je kunt gaan met een diodelaser van $ 10, ’ merkte Batelaan op.

Hoewel continue golflasers de snelle schakelmogelijkheden van krachtigere femtosecondelasers missen, langzaam schakelen biedt zijn eigen voordelen; namelijk, de mogelijkheid om de duur en het aantal elektronen dat door nanotips wordt uitgezonden beter te controleren.

Het team demonstreerde, in feite, dat de controle door langzaam schakelen elektronenemissie mogelijk maakte binnen de grenzen die nodig zijn voor een futuristische toepassing die elektronenspookbeeldvorming wordt genoemd. Onlangs gedemonstreerde lichtspookbeeldvorming maakt gebruik van kwantumeigenschappen van licht voor beeldgevoelige monsters, zoals levende biologische cellen, bij zeer lage blootstelling.

Door meerdere fiber nanotips samen te bundelen, het team hoopt elektronenspookbeeldvorming op nanoschaal te bereiken.