Primul pistol de electroni Nanotype cu fibră optică permite capturarea și capturarea mai ușoară a imaginilor la scară nano

Lumina se mișcă printr-o fibră și stimulează electronii metalici din nanotip în oscilații colective numite plasmoni de suprafață, ajutând electronii să iasă din vârf. Această nanopistolă electronică simplă poate fi făcută mai versatilă prin diferite forme de compoziție și structurare a materialelor. Credit: Ali Passian / ORNL, Departamentul Energiei al SUA

Oamenii de știință de la Laboratorul Național Oak Ridge de la Departamentul de Energie și Universitatea din Nebraska au dezvoltat o modalitate mai ușoară de a genera electroni pentru imagini și detectare la scară nano, oferind un nou instrument util pentru știința materiale, bioimagistica și cercetare cuantică fundamentală.

Într – un studiu publicat în Nou Jurnal de Fizică, cercetătorii au raportat că tragerea impulsurilor laser intense printr-un nanotip cu fibră optică a determinat vârful să emită electroni, creând un „pistol electronic” rapid care poate fi folosit pentru sondarea materialelor. Dispozitivul permite cercetătorilor să examineze rapid suprafețele din orice unghi, ceea ce oferă un avantaj imens față de tehnicile existente cu mai puține telefoane mobile.

„Funcționează pe principiul activării luminii, astfel încât lumina intră și stimulează electronii din metal în modul corect, astfel încât aceștia să câștige suficientă energie pentru a ieși”, a spus Ali Passian din grupul Quantum Information Science al ORNL.

Electronii sunt un instrument neprețuit pentru a cunoaște de aproape caracteristicile de suprafață ale materialelor. Particulele subatomice, care au lungimi de undă mai mici decât fotonii (particule de lumină), pot mări obiectele la nanometri, sau la o miime de metru, cu o rezoluție exponențial mai mare decât creșterea luminii. .

De la mijlocul anilor 2000, cercetătorii au folosit nanotipuri ascuțite pentru a emite electroni în fascicule bine focalizate. Nanotipurile oferă rezoluție spațială și temporală îmbunătățită în comparație cu alte tehnici de microscopie electronică de scanare, ajutând cercetătorii să urmărească mai bine interacțiunile în curs de desfășurare la nano-scară. În aceste tehnici, electronii sunt emiși atunci când fotonii excită vârfurile.

Cu toate acestea, înainte de acest studiu, metodele de emisie a nanotipurilor depindeau de stimularea luminii externe. Pentru a genera electroni, cercetătorii au trebuit să alinieze cu grijă fasciculele laser la vârful nanotipului.

„Anterior, laserele trebuiau să urmărească sfaturi, ceea ce din punct de vedere tehnologic este mult mai greu de realizat”, a spus Herman Batelaan, coautor al studiului care conduce cercetarea controlului electronilor la Universitatea din Nebraska. . Dificultatea sarcinii a limitat viteza cu care puteau fi realizate imaginile și din ce poziție.

Dar Passian a avut o idee pentru o abordare diferită. Aruncând lumina laser printr-o fibră optică flexibilă pentru a ilumina din interiorul nanotipului său conic, acoperit cu metal, el a prezis că ar putea crea un instrument mai ușor de manevrat.

“Ideea a fost că, deoarece acest lucru este simplu și conținut, lumina se propagă din interior, puteți sonda diferite părți ale materialului la diferite înălțimi și poziții laterale”, a spus Passian.

Pentru a afla dacă ideea lui era posibilă, Passian a colaborat cu Batelaan și apoi cu studentul absolvent Sam Keramati la Universitatea din Nebraska. Echipa din Nebraska a folosit un laser cu femtosecundă pentru a trage impulsuri intense și ultra-scurte printr-o fibră optică și într-o cameră de vid. În cameră, lumina s-a deplasat printr-un nanotip de fibre acoperite cu aur care fusese fabricat la ORNL.

De fapt, echipa a observat emisia controlată de electroni din nanotip. Analizând datele, au propus că mecanismul care permite emisia nu este simplu, ci include o combinație de factori.

Un factor este că forma și acoperirea metalică a nanotipului generează un câmp electric care ajută la împingerea electronilor din vârf. Un alt factor este că acest câmp electric de la vârful nanotipului poate fi îmbunătățit prin lungimi de undă specifice ale luminii laser.

„Prin reglarea laserului femtosecund la lungimea de undă corectă, pe care o numim lungimea de undă de rezonanță a plasmonului de suprafață, am constatat că am depășit pragul de emisie”, a spus Keramati. Rezonanța plasmonică de suprafață înseamnă o oscilație colectivă a electronilor de pe suprafața metalului. Deasupra pragului, emisia are loc atunci când electronii absorb suficientă energie din fotoni pentru a-i declanșa cu o energie cinetică inițială.

Pentru a verifica dacă electronii au fost emiși din cauza luminii și nu a căldurii, echipa a studiat ei înșiși nanotipurile. Vârfurile nu au suferit daune în timpul experimentului, indicând faptul că mecanismul de emisie este condus efectiv de lumină.

Un avantaj suplimentar al noii tehnici, au descoperit ei, este că capacitatea de comutare rapidă a sursei laser le permite să controleze emisia de electroni la viteze mai rapide decât o nanosecundă. Acest lucru le va oferi o modalitate mai bună de a captura imagini într-un ritm rapid. Aceste imagini pot fi reunite aproape ca un film pentru a urmări interacțiunile complexe la scara nanometrică.

Deconectat

Mulțumită de aceste prime descoperiri, echipa a decis să testeze dacă vor obține un rezultat similar cu un laser cu undă continuă mult mai puțin puternic, același tip găsit într-un indicator laser de zi cu zi. Pentru a compensa lipsa puterii laserului, aceștia au crescut tensiunea la nanotip, creând o diferență de potențial energetic despre care credeau că ar putea ajuta la expulzarea electronilor. Spre surprinderea lui, a funcționat.

„Din câte știm, aceasta este cea mai mică intensitate a laserului care a dus la emisia de electroni din nanotipuri”, a spus Keramati, acum cercetător postdoctoral, despre rezultatele publicate în Scrisori de fizică aplicată.

„Acum, în loc să aveți un laser puternic, extrem de scump, puteți merge cu un laser cu diode de 10 USD”, a remarcat Batelaan.

Deși laserele cu undă continuă nu au capacitatea de comutare rapidă a celor mai puternice lasere femtosecunde, comutarea lentă oferă propriile sale avantaje; adică capacitatea de a controla mai bine durata și numărul de electroni emiși de nanotipuri.

Echipa a demonstrat, de fapt, că controlul oferit de o schimbare lentă a permis emisia de electroni în limitele necesare pentru o aplicație futuristă numită imagine electronică fantomă. Imaginile fantomă de lumină demonstrate recent profită de proprietățile cuantice ale luminii pentru a obține probe sensibile la imagine, cum ar fi celule biologice vii, cu expunere foarte scăzută.

Prin gruparea mai multor nanotipuri de fibre, echipa speră să realizeze crearea de imagini fantomă de electroni la scară nanometrică.

Referințe:

„Plasmonul de suprafață a îmbunătățit emisia rapidă de electroni din nanotipurile de fibră optică metalizate” de Sam Keramati, Ali Passian, Vineet Khullar, Joshua Beck, Cornelis Uiterwaal și Herman Batelaan, 24 august 2020, Nou Jurnal de Fizică.
DOI: 10.1088 / 1367-2630 / aba85b

„Emisia de electroni fotocampali dintr-un nanotip de fibră optică” de S. Keramati, A. Passian, V. Khullar și H. Batelaan, 10 august 2020, Scrisori de fizică aplicată.
DOI: 10.1063 / 5.0014873

Cercetările inițiale cu privire la această lucrare au fost susținute de Fondul de bani pentru semințe al Programului de cercetare și dezvoltare orientat de laborator ORNL. Cercetarea de la Universitatea din Nebraska a fost susținută de un grant acordat de UNL Collaborative Initiative și National Science Foundation cu numerele EPS-1430519 și PHY-1912504.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Detectarea COVID-19 cu un autocolant pe piele

Inginerii Universității din Missouri promovează piața comercială a bioelectronicii îmbrăcate prin dezvoltarea unui plan de producție la scară largă pentru un dispozitiv personalizabil capabil...

Instrument gratuit de bioinformatică pentru a repeta repetițiile simple ale genotipului digital

SSRgenotyper este un instrument de bioinformatică nou dezvoltat, care permite cercetătorilor să genotipeze digital populațiile în serie folosind repetări de secvențe simple (SSR), o...

Vorbind numai atunci când Kavid-19 infectat se poate răspândi – chiar și în timp ce purtați o mască

Modelele de flux de aer din jurul lor conversează în situații normale, cum ar fi saloane de coafură, camere de examinare medicală și pentru...

Noul material avansat pentru bateriile durabile, de înaltă tensiune

O echipă de cercetători a proiectat și a produs un nou conductor de ioni de sodiu pentru bateriile cu ioni de sodiu în stare...

De la debutul pandemiei COVID, au fost publicate peste 87.000 de articole științifice despre Coronavirus

Oamenii de știință din întreaga lume au publicat peste 87.000 de articole despre coronavirus de la înființarea sa COVID-19 pandemie și octombrie 2020, arată...

Newsletter

Subscribe to stay updated.