Poiché l'interesse per le energie rinnovabili e i dispositivi ad alta efficienza energetica continua a crescere, lo stesso vale per l'interesse della comunità scientifica nella scoperta e nella progettazione di nuovi materiali con proprietà fisiche desiderabili che potrebbero essere utilizzati nelle celle solari o nei dispositivi di accumulo di energia. Uno strumento chiave in questo lavoro è la spettroscopia di perdita di energia elettronica ad alta risoluzione (HREELS), che comporta l'esposizione di un materiale a un fascio di elettroni di energia cinetica nota. Mentre gli elettroni perdono energia quando rimbalzano sugli atomi sulla superficie del materiale, che la perdita di energia può essere misurata e utilizzata per fare importanti determinazioni sul materiale.

"Fononi, eccitazioni collettive che regolano il movimento degli atomi all'interno del reticolo cristallino di un solido, sono un argomento di particolare interesse per gli scienziati perché influenzano le proprietà fisiche come la capacità di un dato materiale di condurre elettricità o calore, " ha spiegato François C. Bocquet, un fisico al Forschungszentrum Jülich, un centro di ricerca scientifica a Jülich, Germania. "Queste proprietà sono importanti perché influiscono sull'idoneità di un materiale per l'uso in diverse applicazioni".

"La sfida è stata che può richiedere molto tempo agli scienziati di superficie che utilizzano HREELS per misurare la dispersione dei fononi o la perdita netta di energia a tutti gli angoli. Fino ad ora, era possibile misurare solo un angolo e una perdita di energia alla volta, quindi potrebbe volerci più di un giorno per misurare la dispersione. Infatti, potrebbe volerci anche una settimana se non ti capita di scegliere un'energia cinetica appropriata per gli elettroni nel fascio in ingresso perché questo influisce sull'intensità dei fononi e quindi sulla facilità con cui possono essere misurati, " ha detto Boquet.

Per affrontare questi problemi, Bocquet ei suoi colleghi hanno adattato uno strumento utilizzato per HREELS con nuovi componenti in modo che la dispersione fononica di un dato materiale possa essere misurata in pochi minuti. Descrivono il loro dispositivo questa settimana nel diario Rassegna di strumenti scientifici .

"Il nostro apparato ha due componenti principali che ci consentono di migliorare la misurazione della dispersione dei fononi, "Boquet ha detto, la cui ricerca è anche finanziata dall'Initiative and Networking Fund dell'Associazione Helmholtz. "Il primo è un analizzatore di elettroni emisferico, che è stato utilizzato con successo per più di un decennio nella spettroscopia fotoelettronica a risoluzione angolare. La seconda è una sorgente di elettroni ad alta risoluzione energetica sviluppata internamente. Può essere ottimizzato con il software che abbiamo creato in modo che gli elettroni del fascio in ingresso abbiano l'energia cinetica desiderata e siano focalizzati su un'area molto piccola del campione che si adatta al campo visivo dell'analizzatore di elettroni emisferico".

L'intervallo di tempo migliorato per determinare la dispersione dei fononi ha l'ulteriore vantaggio di consentire agli scienziati di superficie di affrontare campioni la cui misurazione era troppo complicata fino ad ora.

"Gli scienziati della superficie lavorano tipicamente in condizioni di vuoto perché le superfici che studiano devono essere estremamente pulite e prive di contaminanti. Poiché nessun vuoto è mai perfetto, però, di solito devono interrompere la misurazione di un dato campione dopo alcune ore e prepararlo di nuovo. Ridurre il tempo per misurare la dispersione significa che ora è possibile misurare campioni difficili da preparare e di breve durata, " ha detto Boquet.

Bocquet e i suoi colleghi intendono utilizzare il loro dispositivo per indagare sui materiali relativi al grafene, una sostanza ben nota che ha suscitato molto interesse tra gli scienziati nell'ultimo decennio. Sono anche ansiosi di vedere quali materiali gli altri scienziati della superficie usano per studiare.

"Ci sono così tanti nuovi materiali interessanti in fase di sviluppo le cui proprietà fisiche potrebbero essere comprese più profondamente se potessimo misurare la loro dispersione fononica, " ha detto Bocquet. "Queste informazioni aiuterebbero scienziati e ingegneri a determinare l'idoneità di questi materiali per l'uso in nuovi dispositivi che affrontano le pressanti sfide globali".