Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy e dell'Università del Nebraska hanno sviluppato un modo più semplice per generare elettroni per l'imaging e il rilevamento su nanoscala, fornendo un nuovo strumento utile per la scienza dei materiali, bioimmagini e ricerca quantistica fondamentale.

In uno studio pubblicato su Nuovo Giornale di Fisica , i ricercatori hanno riferito che l'emissione di intensi impulsi laser attraverso una nanopunta in fibra ottica ha causato l'emissione di elettroni dalla punta, creando una "pistola elettronica" veloce che può essere utilizzata per sondare i materiali. Il dispositivo consente ai ricercatori di esaminare rapidamente le superfici da qualsiasi angolazione, che offre un enorme vantaggio rispetto alle tecniche esistenti meno mobili.

"Funziona secondo il principio dell'attivazione della luce, così la luce entra e stimola gli elettroni nel metallo proprio nel modo giusto per farli guadagnare abbastanza energia per uscire, " ha affermato Ali Passian del gruppo Quantum Information Science di ORNL.

Gli elettroni sono uno strumento prezioso per osservare da vicino le caratteristiche superficiali dei materiali. Le particelle subatomiche, che hanno lunghezze d'onda più corte dei fotoni, particelle di luce, possono ingrandire gli oggetti al nanometro, o un miliardesimo di metro, risoluzione:esponenzialmente superiore all'ingrandimento della luce.

Dalla metà degli anni 2000, i ricercatori hanno utilizzato nanopunte affilate per emettere elettroni in fasci strettamente focalizzati. Le nanopunte forniscono una migliore risoluzione spaziale e temporale rispetto ad altre tecniche di microscopia elettronica a scansione, aiutando i ricercatori a monitorare meglio le interazioni in corso su scala nanometrica. In queste tecniche, gli elettroni vengono emessi quando i fotoni eccitano le punte.

Prima di questo studio, però, i metodi di emissione dei nanotip si sono basati sulla stimolazione della luce esterna. Per generare elettroni, i ricercatori hanno dovuto allineare con cura i raggi laser sull'apice della nanopunta.

"In precedenza, i laser dovevano seguire le punte, che è tecnologicamente una cosa molto più difficile da fare, " disse Herman Batelaan, un coautore dello studio che conduce la ricerca sul controllo degli elettroni presso l'Università del Nebraska. La difficoltà del compito limitava la velocità con cui le immagini potevano essere scattate e da quale posizione.

Ma Passian aveva un'idea per un approccio diverso. Sparando luce laser attraverso una fibra ottica flessibile per illuminare la sua conicità, nanopunta rivestita di metallo dall'interno, ha predetto che avrebbe potuto creare uno strumento più facilmente manovrabile.

"L'idea era che, poiché questo è semplice e contenuto, la luce si propaga dall'interno, è possibile sondare diverse parti del materiale a diverse altezze e posizioni laterali, " ha detto Passiano.

Per scoprire se la sua idea fosse possibile, Passian ha collaborato con Batelaan e poi studente laureato Sam Keramati presso l'Università del Nebraska. Il team del Nebraska ha utilizzato un laser a femtosecondi per scattare foto ultracorte, impulsi intensi attraverso una fibra ottica e in una camera a vuoto. Nella camera, la luce si muoveva attraverso una nanopunta in fibra rivestita d'oro che era stata fabbricata all'ORNL.

Il team ha infatti osservato l'emissione controllata di elettroni dalla nanopunta. Analizzando i dati, hanno proposto che il meccanismo che consente l'emissione non sia semplice, ma piuttosto include una combinazione di fattori.

Un fattore è che la forma e il rivestimento metallico della nanopunta generano un campo elettrico che aiuta a spingere gli elettroni fuori dalla punta. Un altro fattore è che questo campo elettrico all'apice della nanopunta può essere potenziato da specifiche lunghezze d'onda della luce laser.

"Sintonizzando il laser a femtosecondi sulla lunghezza d'onda corretta, che chiamiamo lunghezza d'onda di risonanza plasmonica di superficie, abbiamo scoperto di avere un'emissione sopra la soglia, " ha detto Keramati. La risonanza plasmonica di superficie indica un'oscillazione collettiva degli elettroni sulla superficie del metallo. L'emissione sopra la soglia si verifica quando gli elettroni assorbono abbastanza energia dai fotoni per essere espulsi con un'energia cinetica iniziale.

Per verificare che gli elettroni siano stati emessi a causa della luce e non del calore, il team ha studiato le nanopunte stesse. Le punte non hanno subito danni durante l'esperimento, indicando che il meccanismo di emissione è effettivamente guidato dalla luce.

Un ulteriore vantaggio della nuova tecnica, hanno trovato, è che la capacità di commutazione rapida della sorgente laser consente loro di controllare l'emissione di elettroni a velocità superiori a un nanosecondo. Questo darà loro un modo migliore per catturare le immagini a una velocità elevata. Tali immagini possono quindi essere messe insieme quasi come un film per tracciare interazioni complesse su scala nanometrica.

Abbassare la potenza

Soddisfatto di questi primi risultati, il team ha deciso di testare se potevano ottenere un risultato simile con un laser a onda continua molto meno potente, lo stesso tipo che si trova in un puntatore laser di tutti i giorni. Per compensare la mancanza di potenza del laser, hanno alzato il voltaggio alla nanopunta, creando una differenza di potenziale energetico che credevano potesse aiutare a espellere gli elettroni. Con loro sorpresa, ha funzionato.

"A nostra conoscenza questa è la più piccola intensità laser che ha dato origine all'emissione di elettroni da nanopunte, "Keramati, ora un ricercatore post-dottorato, detto dei risultati pubblicati in Lettere di fisica applicata .

"Ora invece di avere un potente, laser estremamente costoso, puoi andare con un laser a diodi da $ 10, " ha osservato Batelaan.

Sebbene i laser a onda continua non abbiano le capacità di commutazione rapida dei laser a femtosecondi più potenti, la commutazione lenta offre i suoi vantaggi; vale a dire, la possibilità di controllare meglio la durata e il numero di elettroni emessi dalle nanopunte.

La squadra ha dimostrato, infatti, che il controllo fornito dalla commutazione lenta consentiva l'emissione di elettroni entro i limiti necessari per un'applicazione futuristica chiamata imaging fantasma di elettroni. L'imaging di fantasmi di luce recentemente dimostrato sfrutta le proprietà quantistiche della luce per campioni sensibili all'immagine, come le cellule biologiche viventi, a bassissima esposizione.

Raggruppando più nanopunte di fibra insieme, il team spera di ottenere l'imaging fantasma di elettroni su scala nanometrica.