Accoppiamento elettrone-luce coerente quantistico in un SEM ultraveloce. Gli elettroni fotoemessi da impulsi laser ultravioletti (viola) si propagano attraverso la colonna di un SEM commerciale. Il fascio di elettroni (verde) è focalizzato vicino alla punta di un ago di tungsteno (riquadro), dove interagisce con il campo vicino ottico eccitato da impulsi laser a 1030 nm, accoppiato al SEM attraverso una finestra CF-100 nella camera del campione SEM . La lente di focalizzazione asferica (non mostrata) è a 25 mm di distanza dalla punta, all'interno della camera. Gli spettri elettronici vengono registrati con uno spettrometro elettronico compatto a settore magnetico a doppio stadio costruito in casa basato sul filtro Omega, posizionato all'interno del SEM. Il piano di dispersione dello spettrometro viene ripreso su un rivelatore a piastre a microcanali, il cui schermo al fosforo viene registrato otticamente dall'esterno della camera a vuoto con una telecamera CMOS. Un'immagine di esempio (riquadro in basso a destra), in cui i conteggi dei singoli elettroni (punti neri) e gli ordini dei fotoni (linee tratteggiate verticali) possono essere facilmente visti dall'occhio. Lo spettro PINEM si ottiene integrando verticalmente l'immagine della telecamera [38]. Lo spettro sperimentale mediato in modo incoerente (nero), con i dati grezzi raggruppati (blu), mostra 24 ordini PINEM, 12 su ciascun lato, il massimo che abbiamo osservato. Credito:Lettere di revisione fisica (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.128.235301
I fisici della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hanno progettato una struttura che consente agli scienziati di osservare le interazioni tra luce ed elettroni utilizzando un tradizionale microscopio elettronico a scansione. La procedura è notevolmente più economica della tecnologia utilizzata fino ad oggi e consente anche una gamma più ampia di esperimenti. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Physical Review Letters .
Il computer quantistico è solo un esempio di quanto sia importante la comprensione dei processi fondamentali alla base delle interazioni tra fotoni ed elettroni. In combinazione con impulsi laser ultracorti, è possibile misurare come i fotoni cambiano l'energia e la velocità degli elettroni. Questa microscopia elettronica indotta da fotoni (PINEM) si è finora basata interamente sui microscopi elettronici a trasmissione (TEM). Sebbene abbiano la risoluzione per individuare i singoli atomi, sono considerevolmente più costosi dei microscopi elettronici a scansione (SEM), tuttavia, e la loro camera del campione è estremamente piccola, solo pochi millimetri cubi.
Misurare differenze fino a poche centinaia di millesimi di un intero
I ricercatori della Cattedra di Fisica del Laser del Prof. Dr. Peter Hommelhoff sono ora riusciti a modificare un SEM tradizionale per condurre esperimenti PINEM. Hanno progettato uno spettrometro speciale basato sulle forze magnetiche che è integrato direttamente nel microscopio. Il principio alla base è che il campo magnetico devia gli elettroni in misura maggiore o minore a seconda della loro velocità. Utilizzando un rivelatore che trasforma le collisioni di elettroni in luce, viene fornita una lettura accurata di questa deviazione. Il metodo consente ai ricercatori di misurare anche le più piccole variazioni di energia, fino a differenze di poche centinaia di millesimi del valore originale, sufficienti per differenziare il contributo di un singolo quanti di energia luminosa, un fotone.
Un più ampio spettro di esperimenti possibili in futuro
La scoperta dei fisici di Erlangen è pionieristica in molti modi. Da un punto di vista finanziario, essere in grado di ricercare interazioni fotone-elettrone senza utilizzare TEM, che costano diversi milioni di euro, potrebbe rendere la ricerca più accessibile. Inoltre, poiché la camera di un SEM ha generalmente un volume fino a 20 centimetri cubi, ora è possibile una gamma molto più ampia di esperimenti, poiché è possibile posizionare componenti ottici ed elettronici aggiuntivi come lenti, prismi e specchi direttamente accanto ai campioni . I ricercatori prevedono che nel giro di pochi anni l'intero campo degli esperimenti quantistici microscopici si sposterà da TEM a SEM. + Esplora ulteriormente
