(a) Illustrazione del raggio laser che passa attraverso il cristallo KBBF (in alto) e la lente piatta (al centro); (b) immagine microscopica della lente piatta incisa su un substrato di CaF2 (inserto:foto del dispositivo ottico); (c) Misurazione del punto focale. I profili sperimentali dei punti focali vicino al piano focale sono misurati mediante scansione a coltello. Sulla base dei profili ai diversi piani di taglio z, i profili di intensità laterale (direzione x e y) del punto reale vengono recuperati dal nostro algoritmo fatto in casa e quindi producono la dimensione dello spot (FWHM) etichettata dai cerchi rosso (direzione x) e verde (direzione y) (d) Immagine microscopica e (e) immagine di trasmissione a scansione di un campione di grafene su un substrato di CaF2. Credito:Yuanhao Mao, Dong Zhao, Shen Yan, Hongjia Zhang, Juan Li, Kai Han, Xiaojun Xu, Chuan Guo, Lexian Yang, Chaofan Zhang, Kun Huang, Yulin Chen
Se i laser ultravioletti sotto vuoto possono essere focalizzati in un piccolo punto del raggio, consentirà lo studio di materiali e strutture mesoscopiche e consentirà la produzione di nano-oggetti con eccellente precisione. Verso questo obiettivo, Scienziato in Cina ha inventato un sistema laser VUV da 177 nm che può raggiungere un punto focale sub-micron a una lunga lunghezza focale. Questo sistema può essere riattrezzato per l'utilizzo nella spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta a basso costo (ARPES) e potrebbe avvantaggiare la fisica della materia condensata.
Il rapido sviluppo di materiali quantistici bidimensionali, come il grafene a doppio strato ritorto, superconduttori di rame monostrato, e materiali di Hall di spin quantistico, ha dimostrato sia importanti implicazioni scientifiche sia promettenti potenzialità applicative. Per caratterizzare la struttura elettronica di questi materiali/dispositivi, ARPES è comunemente usato per misurare l'energia e la quantità di moto degli elettroni fotoemessi da campioni illuminati da raggi X o sorgenti di luce ultravioletta sotto vuoto (VUV). Sebbene l'ARPES a risoluzione spaziale basata su raggi X abbia la più alta risoluzione spaziale (~100 nm) beneficiando della lunghezza d'onda relativamente corta, la sua risoluzione energetica è tipicamente mediocre (> 10 meV), il che rende difficile visualizzare i dettagli fini della struttura elettronica in molti nuovi materiali quantistici. complementari alle sorgenti luminose a raggi X, Le sorgenti luminose basate su laser VUV possono offrire una risoluzione energetica molto migliore (~0,2 meV), maggiore profondità di rilevamento e costi inferiori (rispetto alle sorgenti di luce di sincrotrone). Però, la lunghezza d'onda maggiore della sorgente luminosa VUV deteriora anche la sua risoluzione spaziale (tipicamente diversi micrometri fino ad oggi), rendendolo insufficiente per caratterizzare campioni di scaglie di piccole dimensioni o spazialmente disomogenei (es. magnetico, elettronico o composito).
In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , Mao e i suoi collaboratori hanno sviluppato un sistema laser VUV a 177 nm per la scansione di microscopia a fotoemissione con un punto focale di <1 μm a una lunghezza focale lunga (~ 45 mm) utilizzando una piastra a zona priva di aberrazione sferica. Sulla base di questa microscopia, hanno anche costruito una piattaforma di rilevamento della fluorescenza fuori asse che mostra una capacità superiore rispetto ai sistemi laser convenzionali nel rivelare le sottili caratteristiche dei materiali.
Rispetto all'attuale sorgente laser DUV con risoluzione spaziale utilizzata per ARPES, la sorgente laser VUV da 177 nm potrebbe aiutare la misurazione ARPES a coprire uno spazio di momento più ampio e ha la migliore risoluzione energetica, ma ci sono ancora molte sfide e difficoltà per farlo avere un'eccellente risoluzione spaziale:
"Primo, una grave aberrazione sferica esiste in una lente di rifrazione ad alto NA. Secondo, solo materiali molto limitati possono essere utilizzati in ottica per correggere l'aberrazione sferica dovuta al forte assorbimento alle frequenze VUV. Terzo, è praticamente difficile controllarne la qualità (collimazione, uniformità e diametro efficiente) del fascio incidente e l'allineamento tra gli elementi ottici, poiché il raggio VUV è invisibile e tutte le ottiche devono essere posizionate nel vuoto o in una camera sigillata riempita di gas inerte."
Questo sistema di messa a fuoco laser VUV contiene cinque parti funzionali:un laser a 355 nm, uno stadio di generazione di seconda armonica, una fase di sagomatura del raggio, una parte di regolazione della polarizzazione e un elemento di messa a fuoco della lente piatta.
"Per evitare l'aberrazione sferica, introduciamo lenti diffrattive planari che possono realizzare una messa a fuoco stretta della luce regolando con precisione l'interferenza da più fasci" hanno aggiunto.
"Questo sistema laser VUV ha una lunghezza focale ultra lunga (~45 mm), risoluzione spaziale sub-micron (~760 nm), risoluzione energetica ultra elevata (~ 0,3 meV) e luminosità ultra elevata (~ 355 MWm-2). Può essere applicato direttamente a strumenti di ricerca scientifica come la microscopia elettronica a fotoemissione (PEEM), spettrometro fotoelettronico a risoluzione angolare (ARPES) e spettrometro Raman laser ultravioletto profondo. Attualmente, questo sistema è stato collegato con l'ARPES presso la ShanghaiTech University rivelando le caratteristiche della banda di energia fine di vari nuovi materiali quantistici come i superconduttori topologici quasi unidimensionali TaSe 3 , isolatori topologici magnetici (MnBi 2 Te 4 )(Bi 2 Te 3 )m famiglia, eccetera, " hanno concluso gli scienziati.
