Tre fisici del RIKEN hanno dimostrato il potenziale di una forma ultraveloce di microscopia elettronica a trasmissione per misurare le onde sonore nelle nanostrutture. Ciò potrebbe aiutare a realizzare un metodo di imaging ad alta risoluzione che utilizza onde sonore ad altissima frequenza per visualizzare strutture di dimensioni nanometriche.
Gli ultrasuoni vengono abitualmente utilizzati nelle cliniche e negli ospedali per acquisire immagini degli organi interni e dei bambini nel grembo materno. Le onde sonore utilizzate hanno solitamente una lunghezza d'onda di pochi millimetri e quindi possono visualizzare strutture fino a quel livello.
Anche se tale risoluzione va bene per l'imaging medico, i fisici vorrebbero utilizzare le onde sonore per visualizzare strutture in materiali di dimensioni di pochi nanometri.
"Se potessimo utilizzare onde sonore che hanno lunghezze d'onda di circa 100 nanometri, potremmo usarle per ispezionare i materiali, ad esempio per individuare difetti", spiega Asuka Nakamura del RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS). "Ma la sensibilità ai piccoli difetti dipende davvero dalla lunghezza d'onda."
Ciò richiede la generazione e il rilevamento di onde sonore che hanno lunghezze d’onda molto più piccole (e quindi frequenze più alte). Creare onde sonore ad alta frequenza è relativamente semplice:impulsi laser ultracorti vengono utilizzati per generarli nei metalli e nei semiconduttori da diversi decenni. Ma rilevarli è molto più impegnativo poiché richiede lo sviluppo di rilevatori in grado di raggiungere una risoluzione di nanometri nello spazio e picosecondi nel tempo.
Ora, Nakamura, insieme ai colleghi del CEM Takahiro Shimojima e Kyoko Ishizaka, hanno dimostrato il potenziale di un tipo speciale di microscopio elettronico per l’imaging di onde sonore a frequenza ultraelevata. La ricerca è pubblicata sulla rivista Nano Letters .
Nello specifico, hanno utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce (UTEM) per rilevare le onde sonore generate da un foro di 200 nanometri al centro di una piastra di silicio ultrasottile. Un UTEM utilizza due raggi laser con un leggero ritardo tra loro (vedi figura sopra). Un raggio illumina il campione, mentre l'altro genera un impulso ultracorto di elettroni nel microscopio. Questa impostazione consente di risolvere tempi molto brevi.
Quando i tre hanno simulato teoricamente le onde e confrontato le simulazioni con le immagini ottenute sperimentalmente, hanno trovato un buon accordo.
La qualità delle immagini ha superato le aspettative del team, consentendo loro di eseguire l'analisi della trasformata di Fourier, una tecnica analitica matematica comunemente utilizzata, sulle immagini. "Prima di eseguire questi esperimenti, non intendevamo caratterizzare le onde sonore", afferma Nakamura. "Ma dopo aver raccolto i dati, abbiamo notato che erano molto belli e abbiamo potuto applicare la trasformazione di Fourier. È stato sorprendente per me."
I ricercatori intendono ora studiare la dinamica strutturale e magnetica ultraveloce nei solidi indotta da tali onde sonore nanometriche utilizzando UTEM.
Ulteriori informazioni: Asuka Nakamura et al, Caratterizzazione di un'onda acustica Gigahertz submicrometrica indotta otticamente in una piastra sottile di silicio, Nano lettere (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.2c03938
Informazioni sul giornale: Nanolettere
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