Una nuova tecnica per visualizzare le strutture elettroniche in rapida evoluzione dei materiali su scala atomica mentre si attorcigliano, al California Institute of Technology sta prendendo forma la caduta e il vagabondaggio attraverso il nanomondo. Là, i ricercatori hanno per la prima volta combinato con successo due metodi esistenti per visualizzare la dinamica strutturale di un sottile film di grafite.

Descritto questa settimana sulla rivista Structural Dynamics, dall'AIP Publishing e dall'American Crystallographic Association, il loro approccio ha integrato una tecnica di analisi strutturale altamente specifica nota come "spettroscopia di perdita del nucleo" con un altro approccio noto come microscopia elettronica ultraveloce quadridimensionale (4-D), una tecnica introdotta dal laboratorio Caltech, che è guidata dal premio Nobel Ahmed Zewail.

Nella spettroscopia core-loss, gli elettroni di sondaggio ad alta velocità possono eccitare selettivamente gli elettroni del nucleo di uno specifico atomo in un materiale (gli elettroni del nucleo sono quelli legati più strettamente al nucleo atomico). La quantità di energia acquisita dagli elettroni del nucleo fornisce informazioni sulla struttura elettronica locale, ma la tecnica è limitata nella risoluzione temporale che può raggiungere, tradizionalmente troppo lenta per reazioni catalitiche veloci. La microscopia elettronica 4-D rivela anche le dinamiche strutturali dei materiali nel tempo utilizzando brevi impulsi di elettroni ad alta energia per sondare campioni, ed è progettato per una risoluzione temporale ultraveloce.

La combinazione di queste due tecniche ha permesso al team di monitorare con precisione i cambiamenti locali nella struttura elettronica nel tempo con una risoluzione temporale ultraveloce.

"In questo lavoro, dimostriamo per la prima volta che possiamo sondare elettroni del nucleo profondo con energie di legame piuttosto elevate superiori a 100 eV, " disse Renske van der Veen, uno degli autori del nuovo studio. "Siamo dotati di uno strumento di ispezione ultraveloce in grado di indagare, Per esempio, i processi di rilassamento nelle nanoparticelle fotocatalitiche, transizioni di fase fotoindotte in materiali su scala nanometrica o dinamiche di trasferimento di carica alle interfacce".

Combinare due tecniche su un unico banco

L'integrazione delle due tecniche si è rivelata impegnativa. Poiché gli elettroni si respingono, ci sono solo così tanti elettroni che possono essere impacchettati in un impulso. Quando si accorcia ogni impulso per aumentare la risoluzione temporale, ogni impulso contiene quindi meno elettroni, e la possibilità di interazione tra gli elettroni di sondaggio e gli elettroni del nucleo diminuisce. In particolare agli alti livelli di energia richiesti per eccitare gli elettroni del nucleo profondo (1° e 2° guscio di elettroni), "il segnale di molti pacchetti di elettroni deve essere integrato per lungo tempo, " ha spiegato van der Veen.

I ricercatori hanno testato la loro tecnica su film sottili di grafite, dimostrando che l'eccitazione del laser provoca l'espansione dei legami carbonio-carbonio nel piano nella struttura e la riduzione del gap energetico π-π* sulla scala temporale del picosecondo (un trilionesimo di secondo).

La spettroscopia core-loss è in qualche modo simile alla spettroscopia di assorbimento dei raggi X, ma ha alcuni vantaggi critici. "Utilizzando i raggi X, lo studio di singoli nano-oggetti e l'imaging in situ su scala atomica dei materiali rimane piuttosto impegnativo. Nel rispetto, La spettroscopia ultraveloce a perdita di nucleo nella microscopia elettronica offre un enorme vantaggio. Immagini, la diffrazione e la spettroscopia sono tutte combinate all'interno della stessa configurazione da tavolo; informazioni complementari sullo stesso campione possono essere facilmente ottenute, ", ha detto van der Veen.

La capacità di visualizzare le dinamiche ultraveloci dei singoli atomi ha ampie applicazioni in tutte le discipline scientifiche, dalla scienza dei materiali alla biologia. I ricercatori sperano che i futuri sviluppi nelle "sorgenti di elettroni pulsati e nei metodi di rilevamento" consentiranno di utilizzare la loro tecnica in esperimenti più avanzati.