První elektronová pistole z optických vláken nanotip umožňuje jednodušší zobrazování a získávání v nanoměřítku

Světlo prochází vláknem a stimuluje kovové elektrony v nanotipu, aby vytvářely kolektivní vibrace nazývané povrchové plazmony, které pomáhají elektronům opouštět špičku. Tento jednoduchý elektronový nanocannon může být univerzálnější díky různým formám materiálového složení a strukturování. Fotografický kredit: Ali Passian / ORNL, americké ministerstvo energetiky

Vědci z národní laboratoře Oak Ridge na ministerstvu energetiky a univerzity v Nebrasce vyvinuli jednodušší metodu generování elektronů pro zobrazování a snímání v nanoměřítku, která je užitečným novým nástrojem pro vědu o materiálech, bioimaging a základní kvantový výzkum.

Ve studii publikované v Nový časopis pro fyzikuVědci uvedli, že střelba intenzivních laserových pulzů nanotipem z optických vláken způsobila, že špička emitovala elektrony a vytvořila rychlou „elektronovou zbraň“, kterou lze použít ke zkoumání materiálů. Zařízení umožňuje vědcům rychle zkoumat povrchy z jakéhokoli úhlu, což nabízí velkou výhodu oproti méně mobilním stávajícím technikám.

„Funguje na principu aktivace světla, takže světlo přichází dovnitř a stimuluje elektrony v kovu takovým způsobem, že získávají dostatek energie k tomu, aby se dostaly ven,“ řekl Ali Passian ze skupiny Quantum Information Science Group společnosti ORNL.

Elektrony jsou neocenitelným nástrojem pro bližší pohled na povrchové vlastnosti materiálů. Subatomové částice, které mají kratší vlnové délky než fotony – světelné částice – mohou zvětšovat objekty s rozlišením nanometrů nebo miliardtinou metru – exponenciálně vyšší než zvětšení světla.

Od poloviny dvacátých let 20. století vědci používají k vyzařování elektronů v pevně zaostřených paprskech ostré nanotipy. Ve srovnání s jinými technikami skenovací elektronové mikroskopie nabízejí nanotipy vylepšené prostorové a časové rozlišení a pomáhají vědcům lépe sledovat probíhající interakce v nanoměřítku. V těchto technikách jsou elektrony emitovány, když fotony excitují špičky.

Před touto studií se však emisní metody nanotipu spoléhaly na vnější světelnou stimulaci. Aby mohli vědci generovat elektrony, museli pečlivě zaměřit laserové paprsky na špičku nanotipu.

„V minulosti musely lasery sledovat špičky, což je technologicky mnohem obtížnější,“ řekl Herman Batelaan, spoluautor studie, který vede výzkum elektronové kontroly na University of Nebraska. Obtížnost úkolu omezovala, jak rychle lze z které pozice pořídit obrázky.

Passian však měl nápad na jiný přístup. Vystřelením laserového světla přes pružné optické vlákno, které osvětlilo vnitřek zúženého, ​​pokoveného nanotipu, předpovídal, že by mohl vytvořit lépe ovladatelný nástroj.

„Myšlenka byla, že protože je to jednoduché a nenápadné – světlo se šíří zevnitř – můžete zkoumat různé části materiálu v různých výškách a bočních polohách,“ řekl Passian.

Aby zjistil, zda je jeho nápad možný, spojil se Passian s Batelaanem a doktorandem Samem Keramatim na University of Nebraska. Tým Nebraska použil femtosekundový laser ke střelbě ultrakrátkých, intenzivních pulzů optickým vláknem do vakuové komory. V komoře se světlo pohybovalo skrz pozlacenou vláknovou nano špičku vyráběnou společností ORNL.

Tým ve skutečnosti pozoroval řízenou emisi elektronů z nanotipu. Při analýze údajů navrhli, že mechanismus umožňující emisi není jednoduchý, ale zahrnuje kombinaci faktorů.

Jedním z faktorů je, že tvar a kovový povlak nanotipu vytvářejí elektrické pole, které pomáhá vytlačovat elektrony ze špičky. Dalším faktorem je, že toto elektrické pole na špičce nanotipu může být zesíleno určitými vlnovými délkami laserového světla.

„Vyladěním femtosekundového laseru na správnou vlnovou délku, kterou označujeme jako vlnová délka rezonance povrchového plazmonu, jsme zjistili, že jsme překročili emisní práh,“ řekl Keramati. Povrchová plazmonová rezonance znamená kolektivní oscilaci elektronů na povrchu kovu. Emise nad prahovou hodnotou nastávají, když elektrony absorbují dostatek energie z fotonů, aby byly vystřeleny počáteční kinetickou energií.

Za účelem ověření, že elektrony byly emitovány spíše světlem než teplem, tým zkoumal samotné nanotipy. Špičky nebyly během experimentu poškozeny, což naznačuje, že emisní mechanismus je skutečně řízen světlem.

Další výhodou nové technologie je to, že schopnost laserového zdroje spínat rychle reguluje emise elektronů rychlostí vyšší než nanosekundu. To jim poskytuje lepší způsob fotografování vysokou rychlostí. Takové obrázky lze poté sestavit téměř jako film, aby bylo možné sledovat složité interakce na nanoměřítku.

Vypněte napájení

Spokojeni s těmito počátečními nálezy se tým rozhodl otestovat, zda by bylo možné dosáhnout podobného výsledku pomocí daleko méně výkonného laseru s kontinuální vlnou, stejného typu jako u každodenního laserového ukazovátka. Aby nahradili nedostatek energie laseru, zvýšili napětí na nanotipu a vytvořili rozdíl energetického potenciálu, o kterém věřili, že by mohl pomoci zahnat elektrony. K jejímu překvapení to fungovalo.

„Podle našich nejlepších znalostí jde o nejmenší laserovou intenzitu, která vedla k emisi elektronů z nanotipů,“ uvedl Keramati, nyní postdoktorand, o výsledcích zveřejněných v Aplikovaná fyzikální písmena.

„Místo toho, abyste měli výkonný, extrémně drahý laser, můžete nyní použít diodový laser v hodnotě 10 $,“ poznamenal Batelaan.

Přestože laserům s kontinuální vlnou chybí rychlé přepínací schopnosti výkonnějších femtosekundových laserů, pomalé přepínání nabízí své výhody. konkrétně schopnost lépe řídit dobu a počet elektronů emitovaných nanotipy.

Tým skutečně ukázal, že pomalá regulace spínání umožňovala emisi elektronů v mezích požadovaných pro futuristickou aplikaci zvanou elektronové zobrazování duchů. Nedávno prokázané zobrazování světelných duchů využívá kvantové vlastnosti světla pro vzorky citlivé na obraz, jako jsou živé biologické buňky, při velmi nízkých úrovních expozice.

Spojením několika vláknových nanotipů tým doufá v zobrazení elektronových duchů v rozsahu nano.

Reference:

Sam Keramati, Ali Passian, Vineet Khullar, Joshua Beck, Cornelis Uiterwaal a Herman Batelaan, 24. srpna 2020, „Povrchový plazmon zvýšil rychlou elektronovou emisi z metalizovaných optických nanotipů“. Nový časopis pro fyziku.
DOI: 10.1088 / 1367-2630 / aba85b

„Emise elektronů fotopole z optických vláken nanotip“ od S. Keramati, A. Passiana, V. Khullara a H. Batelaana, 10. srpna 2020, Aplikovaná fyzikální písmena.
DOI: 10,1063 / 5,0014873

Počáteční výzkum této práce byl podpořen z Fondu semenných peněz programu ORNL Laboratory Directed Research and Development Program. Výzkum na univerzitě v Nebrasce byl podpořen grantem od UNL Collaborative Initiative a National Science Foundation pod čísly ocenění EPS-1430519 a PHY-1912504.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Hojnost života v korálových útesech je záhadná již od dob Charlese Darwina – nový výzkum poskytuje odpovědi

Ryby krmící plankton často kontrolují shromáždění ryb v oceánských korálových útesech. Uznání: Dr. Christina Skinner Studie odhaluje otevřenou mořskou vodu, která byla dříve považována...

Vysvětlují mladiství „tyrani“ – potomci masožravých dinosaurů nedostatek rozmanitosti dinosaurů?

Nový výzkum naznačuje, že potomci obrovských masožravých dinosaurů, jako je Tyrannosaurus rex, mohli zásadně přetvořit svá společenství překonáním menších konkurenčních druhů. Fotografický kredit:...

Datové limity mohou zmizet s novými optickými anténami – „světelné kroužky“

Vědci z Kalifornské univerzity v Berkeley našli nový způsob řízení vlastností světelných vln, který by mohl radikálně zvýšit množství dat, která přenášejí. Ukázali...

Odhalení vzácného ošetření mrtvoly „Mud Carapace“ pro egyptské mumie – a případ falešné identity

Mumifikovaná osoba a rakev ve sbírce Nicholson Collection v muzeu křídla Chau Chak, University of Sydney. A. Mumifikovaný jedinec zabalený v moderním pouzdře...

Asteroidový prášek nalezený v kráteru uzavírá případ o tom, co zabilo dinosaury

Vědci se domnívají, že jednoznačným spojením toho, co dinosaury zabilo jejich vyhynutí, s asteroidem, který zasáhl Zemi před 66 miliony let, našli klíčový důkaz:...

Newsletter

Subscribe to stay updated.