I laser a femtosecondi possono essere integrati con i microscopi elettronici per visualizzare direttamente strutture e morfologie transitorie nei materiali in tempo reale e nello spazio. In un nuovo rapporto, Xuewen Fu e un team di scienziati in fisica della materia condensata, microsistemi, la nanotecnologia e la scienza dei materiali in Cina e negli Stati Uniti hanno sviluppato un microscopio elettronico ultraveloce (UEM) senza laser che offre un potenziale simile ma senza i necessari laser a femtosecondi o elaborate modifiche strumentali. Il team ha creato impulsi di elettroni di picosecondi per sondare eventi dinamici tagliando un raggio continuo con un pulsatore a radiofrequenza (RF) con una frequenza di ripetizione degli impulsi sintonizzabile da 100 MHz a 12 GHz. Hanno studiato la dinamica di propagazione delle onde elettromagnetiche di gigahertz come applicazione per la prima volta in questo lavoro e hanno rivelato il campo elettromagnetico oscillante transitorio su scale temporali di nanometri e picosecondi con polarizzazione risolta nel tempo, ampiezza e miglioramento locale del campo. Lo studio ha mostrato l'uso di laser-free, microscopia elettronica ultraveloce (UEM) nella visualizzazione dello spazio reale per la ricerca multidisciplinare, in particolare nei dispositivi elettrodinamici associati alla tecnologia di elaborazione delle informazioni. Il lavoro di ricerca è ora pubblicato in Progressi scientifici .

Microscopia elettronica moderna e microscopia elettronica ultraveloce senza laser

La moderna microscopia elettronica può consentire ai ricercatori di ottenere immagini della materia con risoluzione atomica a causa della lunghezza d'onda del picometro dei fasci di elettroni ad alta energia, progressi nelle tecniche di correzione dell'aberrazione e rilevamento diretto. Il metodo è uno strumento centrale dalla scienza dei materiali alla biologia, insieme a progressivi progressi nella cristallografia elettronica, tomografia e imaging crio-particellare. Convenzionalmente, il fascio di elettroni di un microscopio è prodotto da un processo termoionico o di emissione di campo e tali sorgenti di elettroni producono immagini statiche o catturate a lunghi intervalli di tempo a causa dei limiti intrinseci dei rivelatori di elettroni convenzionali. I microscopi elettronici avanzati richiedono quindi una risoluzione temporale forte o maggiore per studiare i percorsi di reazione nelle transizioni fisiche e chimiche oltre i limiti del rivelatore. In questo lavoro, Fu et al. sviluppato senza laser, microscopia elettronica ultraveloce combinando un prototipo di pulsatore a fascio di elettroni guidato da RF per creare brevi impulsi di elettroni con una frequenza di ripetizione sintonizzabile che va da 100 MHz a 12 GHz. Questo metodo consentirà ai ricercatori di registrare immagini ultraveloci e rilevare diversi modelli di transizioni strutturali.

Utilizzando il metodo, il team di ricerca ha ottimizzato la potenza e la frequenza della radiofrequenza in ingresso (RF) per il pulsatore per ottenere una risoluzione temporale di 10 picosecondi (ps) nello strumento e ha utilizzato lo stesso segnale RF sintonizzabile a banda larga per facilitare l'eccitazione del campione. Durante le prime dimostrazioni della sua capacità di studiare la dinamica ultraveloce, Fu et al. ha condotto uno studio con sonda a pompa sulla dinamica di propagazione delle onde elettromagnetiche in un campione a microstriscia con due pettini interdigitati, un elemento fondamentale dei sistemi microelettromeccanici a radiofrequenza (MEMS). Combinando i risultati sperimentali con simulazioni numeriche, il team ha mostrato l'elettrodinamica di una propagazione di onde elettromagnetiche (EM) di gigahertz nel campione di microstriscia. Questo fenomeno può contribuire fondamentalmente alla funzionalità della maggior parte dei dispositivi di elaborazione delle informazioni e di altre tecniche di imaging che attualmente rimangono inaccessibili per l'imaging a causa delle restrizioni dimensionali.

Design concettuale:nuovo prototipo

Nell'UEM (microscopio elettronico ultraveloce) senza laser, il sistema di impulsi a radiofrequenza si interfacciava con un microscopio elettronico a trasmissione (TEM). Il pulsatore conteneva due elementi stripline a pettine metallico ad onda mobile con una piccola apertura di taglio tra di loro. Quando il pulsatore è stato pilotato da un segnale a radiofrequenza, il team ha registrato la generazione di un'onda elettromagnetica sinusoidale (EM) nel modulatore, introducendo un calcio oscillante trasversale al fascio di elettroni continuo in arrivo. L'apertura di taglio del sistema suddivideva il raggio continuo in impulsi di elettroni periodici. Utilizzando il design attuale, hanno stabilito un campo EM a banda larga con una frequenza che va da 50 MHz a 6 GHz. Gli scienziati hanno testato le prestazioni del TEM dopo aver integrato il pulsatore per registrare una serie di risultati di imaging e diffrazione in modalità a fascio continuo e modalità a fascio pulsato. Il team ha esaminato immagini in campo chiaro di nanoparticelle d'oro in entrambe le modalità che erano comparabili sia nel profilo di intensità che nel contrasto. La qualità dell'immagine comparabile tra la modalità a raggio pulsato e la modalità a raggio continuo ha mostrato buone prestazioni e versatilità del nuovo prototipo UEM senza laser.

La risoluzione dell'UEM senza laser dipendeva dalla durata degli impulsi di elettroni tagliati, che a sua volta dipendeva dal ciclo di lavoro del fascio di elettroni tagliato. Fu et al. modificato questo parametro modificando indipendentemente la frequenza di alimentazione RF in ingresso e/o la dimensione dell'apertura di taglio. In linea di principio, potrebbero utilizzare una maggiore potenza RF in ingresso e una frequenza RF più elevata con un'apertura di taglio più piccola per ottenere una minore, così come impulsi di elettroni sub-picosecondi o femtosecondi per migliorare ulteriormente la qualità e la risoluzione dell'imaging. Il team ha quindi dimostrato la capacità di misurazione ultraveloce della sonda a pompa dell'UEM senza laser per comprendere le correnti oscillanti e i campi necessari per far funzionare quasi tutti i dispositivi di elaborazione delle informazioni. Fu et al. ha notato per la prima volta immagini risolte nel tempo della propagazione EM nella struttura a pettine interdigitata con un ingrandimento di 1200x, con un tempo integrale di 1,5 secondi. Hanno quindi studiato la dipendenza della dinamica di propagazione delle onde EM dalla potenza di eccitazione, dove l'ampiezza aumenta con l'aumentare della potenza di eccitazione.

Distribuzione simulata del campo elettrico

Per comprendere meglio gli esperimenti, Fu et al. ha eseguito simulazioni numeriche della propagazione dell'onda EM in una microstriscia di due pettini interdigitati con geometria e materiali simili agli esperimenti, e ha effettuato la simulazione utilizzando un pacchetto di analisi degli elementi finiti EM 3-D. Il team ha osservato istantanee della distribuzione simulata del campo elettrico attorno ai pettini interdigitati a diversi tempi di ritardo. Poiché il campione non è magnetico, gli effetti dei campi magnetici erano trascurabili nell'esperimento. Poiché l'onda EM si è propagata attraverso i pettini interdigitati in esame, un campo elettrico oscillante temporale stabilito tra le lacune dei pettini interdigitati. I risultati simulati erano in buon accordo con gli esperimenti.

In questo modo, Xuewen Fu e colleghi hanno progettato un microscopio elettronico ultraveloce (UEM) senza laser ad alta risoluzione nello spazio-tempo, combinando un pulsatore a radiofrequenza (RF) con un microscopio elettronico a trasmissione commerciale (TEM). Utilizzando l'UEM senza laser, Fu et al. ha studiato il processo di propagazione della lunghezza d'onda elettromagnetica (EM) dei gigahertz in una microstriscia contenente due pettini interdigitati. Il team ha mostrato la visualizzazione diretta dell'oscillazione del campo EM con il tempo per rivelare l'ampiezza del campo, direzione di polarizzazione e propagazione dell'onda alla scala temporale dei nanometri-picosecondi, che era finora inaccessibile con altre tecniche di imaging. L'UEM senza laser fornisce un potente percorso per comprendere l'elettrodinamica in piccoli dispositivi che funzionano su frequenze da megahertz a gigahertz, come antenne wireless, sensori e sistemi microelettromeccanici RF (MEMS). Un'ulteriore ottimizzazione consentirà pacchetti d'onda sub-picosecondi e persino femtosecondi per consentire una risoluzione temporale a femtosecondi per UEM senza laser. Il lavoro avrà ampie implicazioni dalla fisica dei materiali alla biologia e alle tecnologie di comunicazione mobile.

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