Gli strati sovrapposti di grafene possono agire come uno specchio per fasci di elettroni. I fisici Daniël Geelen e colleghi hanno scoperto questo utilizzando un nuovo tipo di microscopio elettronico. In un articolo su Physical Review Letters, descrivono i loro risultati, che potrebbe portare allo sviluppo di ottiche per fasci di elettroni invece della luce.

Geelen e collaboratori hanno soprannominato la nuova tecnica "eV-TEM". È una nuova variante del microscopio elettronico, che punta fasci di elettroni su un campione per immaginarlo.

Elettroni a bassa energia

Secondo la meccanica quantistica, gli elettroni sono onde, proprio come la luce visibile è, ma la lunghezza d'onda è molto più corta. A causa di ciò, dettagli molto più piccoli possono essere ripresi rispetto a un microscopio ottico. Però, l'assalto degli elettroni generalmente danneggia il campione nel lungo periodo.

Questo è uno dei motivi per cui Daniël Geelen, Johannes Jobst, Senso Jan van der Molen e Rudolf Tromp usano elettroni lenti, che trasportano basse energie di diversi elettronvolt (eV, quindi 'eV-TEM') invece delle solite decine o centinaia di migliaia di elettronvolt.

Elettroni nel grafene

Dal 2010, il gruppo gestisce un LEEM (microscopio elettronico a bassa energia) sviluppato da Tromp presso IBM, quale immagine gli elettroni riflessi. Geelen ha potenziato l'apparato con la possibilità di visualizzare gli elettroni che attraversano il campione, la "trasmissione". Questo trasforma l'apparato in un microscopio elettronico a trasmissione (eV-TEM).

Il primo materiale indagato è il grafene, la varietà di carbonio in un appartamento, modello molecolare esagonale bidimensionale simile al filo di pollo. I ricercatori hanno sparato elettroni lenti a singoli, doppio e triplo strato di grafene, e immaginato la trasmissione.

"C'è stata molta ricerca su come si comportano gli elettroni all'interno degli strati di grafene, ma molto meno nel modo in cui si muovono attraverso gli strati, " dice Sense Jan van der Molen.

Testare la teoria

Un modello teorico degli anni settanta prevede che gli elettroni lenti possano passare facilmente attraverso strati sottili, poiché interagiranno a malapena con gli elettroni all'interno di quegli strati. Quindi, quando l'energia e la velocità degli elettroni aumenta, il numero di interazioni dovrebbe aumentare, che comporterebbe sempre meno elettroni che passano attraverso il campione. Questa "curva universale" dovrebbe reggere, indipendentemente dal materiale esatto del campione.

I fisici di Leida tuttavia, notato qualcosa di molto diverso. A specifiche energie degli elettroni, misurano forti diminuzioni nella trasmissione, che corrispondono a picchi nella riflessione. "Per gli elettroni con determinate energie, il grafene fa da specchio, "dice Van der Molen.

Grafene specchiante

Nell'articolo, i ricercatori forniscono una spiegazione:gli elettroni sono onde. A certe lunghezze d'onda, le onde riflesse da strati di grafene separati si rafforzeranno a vicenda. Questa "interferenza costruttiva" fa sì che la pila di strati di grafene agisca da specchio per gli elettroni.

Un effetto simile è visibile nella tonalità verdastra o violacea di un rivestimento antiriflesso su occhiali o binocoli. Anch'essi sono costituiti da strati, che causano interferenze costruttive per la luce verde o viola.

Il mirroring dipendente dalla lunghezza d'onda dimostra che i campioni sottili non agiscono in modo così prevedibile e indipendente dal materiale esatto come previsto, dice Johannes Jobst. "Questi risultati dipendono fortemente dalla struttura elettronica del materiale, e sull'energia degli elettroni."

Inoltre, la ricerca suggerisce la possibilità di utilizzare il grafene stratificato come specchi per fasci di elettroni. "Potrebbe essere possibile usarli come divisori di raggio, "dice Tromp.

Strati sottili meno predittivi

Tali divisori di raggio, che dividono un singolo raggio entrante in due raggi separati, sono dispositivi standard molto utilizzati in ottica leggera, ma non esistono ancora per i fasci di elettroni. Sottili strati di grafene potrebbero forse colmare questa lacuna. Ma prima, i ricercatori vorrebbero immaginare altri materiali. Van der Molen:"Ciò consente una ricerca fondamentalmente nuova, in materiali stratificati, e anche in biomolecole sensibili che verrebbero danneggiate in un normale microscopio elettronico".