Progettare e migliorare i materiali per l'accumulo di energia, dispositivi intelligenti, e molte altre tecnologie, i ricercatori devono capire la loro struttura e chimica nascoste. Tecniche avanzate di ricerca, come l'imaging di diffrazione elettronica ultraveloce può rivelare tali informazioni. Ora, un gruppo di ricercatori del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha sviluppato una versione nuova e migliorata della diffrazione elettronica presso l'Accelerator Test Facility (ATF) di Brookhaven, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE che offre strumentazione sperimentale avanzata e unica per studiando l'accelerazione delle particelle ai ricercatori di tutto il mondo. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati in Rapporti scientifici , una rivista ad accesso aperto di Nature Research.

Il progresso di una tecnica di ricerca come la diffrazione elettronica ultraveloce aiuterà le future generazioni di scienziati dei materiali a studiare materiali e reazioni chimiche con nuova precisione. Molti cambiamenti interessanti nei materiali avvengono in modo estremamente rapido e in piccoli spazi, quindi sono necessarie tecniche di ricerca migliorate per studiarli per applicazioni future. Questa versione nuova e migliorata della diffrazione elettronica offre un trampolino di lancio per migliorare varie tecniche di ricerca relative al fascio di elettroni e la strumentazione esistente.

"Abbiamo implementato il nostro nuovo sistema di messa a fuoco per fasci di elettroni e dimostrato che possiamo migliorare significativamente la risoluzione rispetto alla tecnica del solenoide convenzionale, " disse Xi Yang, autore dello studio e fisico dell'acceleratore presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), un DOE Office of Science User Facility presso Brookhaven Lab. "La risoluzione dipende principalmente dalle proprietà della luce, o nel nostro caso, del fascio di elettroni. Questo è universale per tutte le tecniche di imaging, compresa la microscopia ottica e l'imaging a raggi X. Però, è molto più difficile focalizzare gli elettroni carichi su un raggio quasi parallelo simile a una matita sul campione di quanto non lo sarebbe con la luce, perché gli elettroni sono carichi negativamente e quindi si respingono a vicenda. Questo è chiamato effetto della carica spaziale. Utilizzando la nostra nuova configurazione, siamo stati in grado di superare l'effetto della carica spaziale e ottenere dati di diffrazione tre volte più luminosi e due volte più nitidi; è un grande salto di risoluzione".

Ogni configurazione di diffrazione elettronica utilizza un fascio di elettroni focalizzato sul campione in modo che gli elettroni rimbalzino sugli atomi nel campione e viaggino ulteriormente verso il rivelatore dietro il campione. Gli elettroni creano un cosiddetto schema di diffrazione, che può essere tradotto nella composizione strutturale dei materiali su scala nanometrica. Il vantaggio di utilizzare gli elettroni per l'immagine di questa struttura interna dei materiali è che il cosiddetto limite di diffrazione degli elettroni è molto basso, il che significa che gli scienziati possono risolvere dettagli più piccoli nella struttura rispetto ad altri metodi di diffrazione.

Era necessario un team diversificato di ricercatori per migliorare un metodo di ricerca così complesso. Il team del Brookhaven Lab era composto da esperti di fasci di elettroni dell'NSLS-II, esperti di acceleratori di elettroni di ATF, ed esperti di scienze dei materiali del dipartimento di fisica della materia condensata e scienze dei materiali (CMPMS).

"Questo progresso non sarebbe stato possibile senza la combinazione di tutta la nostra esperienza in Brookhaven Lab. A NSLS-II, abbiamo esperienza su come gestire il fascio di elettroni. Il gruppo ATF ha portato l'esperienza e le capacità del cannone elettronico e delle tecnologie laser, entrambe necessarie per creare il fascio di elettroni in primo luogo. E il gruppo CMPMS ha l'esperienza del campione e, Certo, guida le esigenze dell'applicazione. Si tratta di una sinergia unica e, insieme, siamo stati in grado di mostrare come la risoluzione della tecnica può essere migliorata drasticamente, " disse Li Hua Yu, Fisico senior dell'acceleratore NSLS-II e coautore dello studio.

Per ottenere la sua migliore risoluzione, il team ha sviluppato un metodo diverso per focalizzare il fascio di elettroni. Invece di utilizzare un approccio convenzionale che coinvolge magneti a solenoide, i ricercatori hanno utilizzato due gruppi di quattro magneti quadrupolari per sintonizzare il fascio di elettroni. Rispetto ai magneti a solenoide, che fungono da unica lente per modellare il raggio, i magneti a quadrupolo funzionano come un sistema di lenti specializzato per gli elettroni, e hanno dato agli scienziati molta più flessibilità per sintonizzare e modellare il raggio in base alle esigenze del loro esperimento.

"Il nostro sistema di lenti può fornire un'ampia gamma di regolazioni del raggio. Possiamo ottimizzare i parametri più importanti come la dimensione del raggio, o densità di carica, e divergenza del fascio in base alle condizioni sperimentali, e quindi fornire la migliore qualità del fascio per le esigenze scientifiche, " ha detto Yang.

Il team può anche regolare i parametri al volo con strumenti di ottimizzazione online e correggere eventuali non uniformità della forma del fascio; però, per rendere possibile questa misurazione, il team aveva bisogno dell'eccellente fascio di elettroni fornito dall'ATF. ATF ha un cannone elettronico che genera un fascio di elettroni estremamente luminoso e ultracorto, che offre le migliori condizioni per la diffrazione elettronica.

"Il team ha utilizzato una pistola a fotocatodo che genera gli elettroni attraverso un processo chiamato fotoemissione, " disse Mikhail Fedurin, un fisico dell'acceleratore presso l'ATF. "Spariamo un impulso laser ultracorto in un catodo di rame, e quando l'impulso colpisce il catodo si forma una nuvola di elettroni sul rame. Tiriamo via gli elettroni usando un campo elettrico e poi li acceleriamo. La quantità di elettroni in uno di questi impulsi e la nostra capacità di accelerarli a energie specifiche rendono il nostro sistema attraente per la ricerca scientifica dei materiali, in particolare per la diffrazione di elettroni ultraveloce".

Il sistema di messa a fuoco insieme al fascio di elettroni ATF è molto sensibile, così i ricercatori possono misurare le influenze del campo magnetico terrestre sul fascio di elettroni.

"Generalmente, gli elettroni sono sempre influenzati dai campi magnetici:in primo luogo è così che li guidiamo negli acceleratori di particelle; però, l'effetto del campo magnetico terrestre non è trascurabile per il raggio a bassa energia che abbiamo usato in questo esperimento, " disse Victor Smalyuk, Leader del gruppo di fisica degli acceleratori NSLS-II e coautore dello studio. "Il raggio ha deviato dalla traiettoria desiderata, che ha creato difficoltà nella fase iniziale di avviamento, quindi abbiamo dovuto correggere questo effetto."

Oltre all'elevata luminosità del fascio di elettroni e all'elevata precisione del sistema di messa a fuoco, il team aveva anche bisogno del campione giusto per effettuare queste misurazioni. Il gruppo CMPMS ha fornito al team una pellicola in oro policristallino per esplorare completamente il sistema di lenti di nuova concezione e metterlo alla prova.

"Abbiamo realizzato il campione depositando gli atomi d'oro su un film di carbonio spesso diversi nanometri utilizzando una tecnica chiamata evaporazione termica, " ha detto Junjie Li, un fisico nel dipartimento CMPMS. "Abbiamo evaporato le particelle d'oro in modo che si condensassero sulla pellicola di carbonio e formassero minuscole, nanoparticelle isolate che si fondono lentamente insieme e formano il film policristallino".

Questo film è stato essenziale per le misurazioni perché ha cristalli orientati casualmente che si fondono insieme. Perciò, la struttura interna del campione non è uniforme, ma è costituito da molte aree diversamente orientate, il che significa che il modello di diffrazione dipende principalmente dalle qualità del fascio di elettroni. Questo offre agli scienziati il ​​terreno migliore per testare davvero il loro sistema di lenti, per sintonizzare il raggio, e per vedere l'impatto della loro sintonizzazione direttamente sulla qualità della misurazione della diffrazione.

"Inizialmente abbiamo deciso di migliorare la diffrazione elettronica per gli studi scientifici sui materiali, ma abbiamo anche scoperto che questa tecnica può aiutarci a caratterizzare il nostro fascio di elettroni. Infatti, la diffrazione è molto sensibile ai parametri del fascio di elettroni, quindi possiamo usare il modello di diffrazione di un campione noto per misurare i nostri parametri del fascio in modo preciso e diretto, che di solito non è così facile, " disse Yang.

Il team intende perseguire ulteriori miglioramenti, e hanno già in programma di sviluppare un'altra configurazione per la microscopia elettronica ultraveloce per visualizzare direttamente un campione biologico.

"Speriamo di ottenere l'imaging a fascio di elettroni a colpo singolo ultraveloce ad un certo punto e forse anche di realizzare filmati molecolari, che non è possibile con la nostra attuale configurazione di imaging a fascio di elettroni, " disse Yang.