Het potentieel van een ultrasnelle vorm van transmissie-elektronenmicroscopie om geluidsgolven in nanostructuren te meten is aangetoond door drie RIKEN-natuurkundigen. Dit zou kunnen helpen bij het realiseren van een beeldvormingsmethode met hoge resolutie die ultrahoogfrequente geluidsgolven gebruikt om structuren met een nanometergrootte in beeld te brengen.

Echografie wordt routinematig gebruikt in klinieken en ziekenhuizen om inwendige organen en baby's in de baarmoeder in beeld te brengen. De gebruikte geluidsgolven hebben doorgaans een golflengte van enkele millimeters en kunnen dus structuren tot op dat niveau in beeld brengen.

Hoewel een dergelijke resolutie prima is voor medische beeldvorming, zouden natuurkundigen graag geluidsgolven willen gebruiken om structuren in beeld te brengen in materialen die een paar nanometer groot zijn.

"Als we geluidsgolven met een golflengte van ongeveer 100 nanometer of zo kunnen gebruiken, kunnen we ze gebruiken voor het inspecteren van materialen, zoals het vinden van defecten", legt Asuka Nakamura van het RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) uit. "Maar de gevoeligheid voor kleine defecten hangt echt af van de golflengte."

Dit vereist het genereren en detecteren van geluidsgolven met veel kleinere golflengten (en dus hogere frequenties). Het creëren van dergelijke hoogfrequente geluidsgolven is relatief eenvoudig:ultrakorte laserpulsen worden al tientallen jaren gebruikt om ze te genereren in metalen en halfgeleiders. Maar het detecteren ervan is een veel grotere uitdaging, omdat hiervoor detectoren moeten worden ontwikkeld die een resolutie van nanometers in de ruimte en picoseconden in de tijd kunnen bereiken.

Nu heeft Nakamura, samen met CEM-collega's Takahiro Shimojima en Kyoko Ishizaka, het potentieel aangetoond van een speciaal type elektronenmicroscoop voor het afbeelden van dergelijke ultrahoogfrequente geluidsgolven. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters .

Concreet gebruikten ze een ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop (UTEM) om geluidsgolven te detecteren die werden gegenereerd door een gat van 200 nanometer in het midden van een ultradunne siliciumplaat. Een UTEM maakt gebruik van twee laserstralen met een kleine vertraging ertussen (zie figuur hierboven). De ene straal verlicht het monster, terwijl de andere een ultrakorte elektronenpuls in de microscoop genereert. Deze opzet maakt het mogelijk om zeer korte termijnen op te lossen.

Toen het trio de golven theoretisch simuleerde en de simulaties vergeleek met experimenteel verkregen beelden, kwamen ze tot goede overeenstemming.

De kwaliteit van de beelden overtrof de verwachtingen van het team, waardoor ze een Fourier-transformatieanalyse (een veelgebruikte wiskundige analysetechniek) op de beelden konden uitvoeren. "Voordat we deze experimenten uitvoerden, waren we niet van plan de geluidsgolven te karakteriseren", zegt Nakamura. "Maar nadat we de gegevens hadden verzameld, merkten we dat ze erg mooi waren en konden we Fourier-transformatie toepassen. Dat was verrassend voor mij."

De onderzoekers zijn nu van plan de ultrasnelle structurele en magnetische dynamiek in vaste stoffen, veroorzaakt door dergelijke nanometrische geluidsgolven, te onderzoeken met behulp van UTEM.

Meer informatie: Asuka Nakamura et al., Karakterisering van een optisch geïnduceerde sub-micrometer Gigahertz akoestische golf in een dunne siliciumplaat, Nanoletters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.2c03938

Journaalinformatie: Nanobrieven

Aangeboden door RIKEN