I recenti progressi scientifici hanno aperto nuove opportunità per l’osservazione ravvicinata dei fenomeni fisici. I ricercatori dell'Università di Cambridge e dell'Università di Newcastle hanno recentemente introdotto un nuovo metodo per misurare la diffrazione dell'atomo di elio con risoluzione spaziale microscopica.
Questo metodo, delineato in un articolo in Physical Review Letters , consente ai fisici di studiare materiali sensibili agli elettroni e di comprenderne meglio la morfologia utilizzando la microdiffrazione dell'elio.
"Il microscopio a elio a scansione è stato sviluppato da diversi gruppi di ricerca per oltre un decennio con l'obiettivo di migliorare la risoluzione dello strumento e studiare campioni tecnologici e biologici", ha detto a Phys.org Matthew Bergin, coautore dell'articolo. "Tuttavia, è stato fatto relativamente poco lavoro sull'utilizzo dell'aspetto ondulatorio della materia del fascio di elio per studiare le superfici ordinate con un microscopio a elio a scansione."
Il recente studio di Bergin e dei suoi colleghi si basa su uno dei loro precedenti articoli pubblicati su Scientific Reports nel 2020. In questo lavoro precedente, i ricercatori hanno osservato la firma della diffrazione da un punto microscopico su un campione, ma non sono riusciti a misurare direttamente il modello di diffrazione sottostante.
Nel loro nuovo documento, hanno deciso di continuare il loro lavoro in questo settore. L'obiettivo di fondo del loro studio era dimostrare che un'onda di materia basata sugli atomi potrebbe essere utilizzata per formare un modello di diffrazione da regioni di una superficie risolte spazialmente.
"A causa della dualità onda-particella degli atomi, un fascio di elio diretto verso un reticolo può comportarsi come un'onda e diffrangersi dalla struttura periodica", ha detto Bergin. "Gli atomi di elio a energia termica possiedono un'energia così bassa (<100 meV) che è garantito che il modello di diffrazione ottenuto sia sensibile in modo univoco alla struttura superficiale.
"La diffusione dell'atomo di elio è una tecnica consolidata che utilizza la posizione e l'intensità di questi picchi di diffrazione per studiare la superficie di un campione, tuttavia fino ad ora questi studi sono stati limitati a cristalli omogenei di dimensioni di almeno diversi millimetri."
Nei loro esperimenti, Bergin e i suoi colleghi hanno utilizzato un microscopio a elio a scansione che utilizza un foro stenopeico per collimare un fascio di elio. Con questo microscopio e una strategia attentamente progettata, sono stati in grado di raccogliere schemi di diffrazione da una piccola regione (~10 um) di un campione, nonostante l'utilizzo di un rilevatore fisso.
"Calibrando attentamente lo strumento, possiamo spostare le fasi di posizionamento e rotazione del campione per variare l'angolo di rilevamento in uscita e l'azimut del campione illuminando allo stesso tempo lo stesso punto", ha spiegato Bergin. "Il risultato è che possiamo costruire un modello di diffrazione sensibile esclusivamente alla superficie dalla piccola area illuminata del campione."
Il recente lavoro di questo gruppo di ricerca dimostra la fattibilità dell'utilizzo di atomi per raccogliere un modello di diffrazione da una regione microscopica sulla superficie di un campione. Il metodo proposto potrebbe essere utilizzato da altri fisici per studiare i modelli di diffrazione e raccogliere nuove informazioni sui materiali che non possono essere esaminati con precisione utilizzando le tecniche convenzionali di diffusione degli atomi.
"Le capacità spazialmente risolte dello strumento combinate con l'eccellente sensibilità della superficie ora ci consentono di utilizzare la diffusione degli atomi per misurare le proprietà dei materiali di piccoli campioni con caratteristiche superficiali interessanti, come scaglie di materiali 2D", ha aggiunto Bergin.
"All'Università di Cambridge, è già iniziato il lavoro sull'applicazione della tecnica per misurare la diffrazione da scaglie di materiali 2D. Nel frattempo, i colleghi dell'Università di Newcastle stanno sviluppando un nuovo stadio di misurazione in grado di spostare direttamente il rilevatore per raccogliere schemi di diffrazione senza alcuna calibrazione o manipolazione complessa del campione."
Ulteriori informazioni: Nick A. von Jeinsen et al, Diffrazione dell'atomo di elio 2D da un punto microscopico, Lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.236202
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