Onderzoek toont aan dat een van ‘s werelds snelste elektronenmicroscopen in de maak is

Elektronenmicroscopen geven ons inzicht in de kleinste details van materialen en we kunnen bijvoorbeeld de structuur van vaste stoffen, moleculen of nanodeeltjes visualiseren met atomaire resolutie. De meeste stoffen in de natuur zijn echter niet gefixeerd. Ze zijn constant bezig met interactie, beweging en het hervormen van begin- en eindconfiguraties.

Een van de meest voorkomende verschijnselen is de interactie tussen licht en materie, en het is alomtegenwoordig in materialen zoals zonnecellen, beeldschermen of lasers. Deze interacties worden bepaald door het duwen en trekken van elektronen door oscillaties van licht, en de dynamiek is extreem snel: lichtgolven oscilleren met een miljardste van een seconde.

Tot nu toe was het erg moeilijk om deze extreem snelle processen in ruimte en tijd direct te visualiseren, maar dit is precies wat een team van natuurkundigen van de Universiteit van Konstanz is gelukt. Ze namen filmpjes op met een resolutie van een totoseconde in een transmissie-elektronenmicroscoop, wat nieuwe inzichten geeft in de functionaliteit van nanomaterialen en diëlektrische metaatomen. Ze publiceerden onlangs hun resultaten in natuur.

Generatie van ultrakorte elektronische pulsen

“Als je goed kijkt, vinden bijna alle verschijnselen in de optica, nanofotonen of metamaterialen plaats op tijdschalen die kleiner zijn dan de periode van één oscillatie van een lichtgolf”, legt Peter Bohm uit, hoogleraar natuurkunde en hoofd van de Light and Matter-groep aan de universiteit. van Konstanz.

“Om ultrasnelle interacties tussen licht en materie in beeld te brengen, hebben we daarom een ​​resolutie van een seconde nodig.” Om zo’n extreme opnamesnelheid te bereiken, gebruikt de onderzoeksgroep van Baum de snelle oscillaties van een continue golflaser om de elektronenbundel van een elektronenmicroscoop om te zetten in een reeks ultrakorte elektronische pulsen.

In dit proces resulteert een dunne siliciumfilm in periodieke versnelling en vertraging van elektronen. “Deze aanpassing zorgt ervoor dat de elektronen elkaar inhalen. Na enige tijd veranderen ze in een trein van ultrakorte pulsen”, legt David Napin, promovendus en eerste auteur van het onderzoek uit.

Een andere lasergolf zorgt voor interactie met het voorbeeldobject. Ultrakorte elektronenpulsen worden vervolgens gebruikt om de reactie van het lichaam op het laserlicht te meten, bevroren in de tijd zoals in een stroboscoop. Uiteindelijk kregen de onderzoekers een film van de processen met een resolutie van een seconde.

Onderzoek naar fenomenen op nanoschaal

In hun studie gaven de wetenschappers verschillende voorbeelden van tijdschalen in nanomaterialen. Experimenten tonen bijvoorbeeld de opkomst van ongeëvenaarde oppervlaktegolven die onderzoekers kunnen beheersen om in een specifieke ruimtelijke richting te reizen, of duidelijke tijdsvertragingen tussen verschillende stralingsmodi van nanoantennes. Bovendien onderzoeken de wetenschappers niet alleen deze oppervlakteverschijnselen, maar brengen ze ook de elektromagnetische processen in het golfgeleidermateriaal in beeld.

De resultaten zijn zeer interessant voor verdere ontwikkelingen op het gebied van nanofotonica, maar illustreren ook het zeer brede toepassingsgebied van de nieuwe elektronenmicroscopie. “Directe meting van de elektromagnetische functie van materialen als functie van ruimte en tijd is niet alleen van grote waarde voor de fundamentele wetenschap, maar maakt ook de weg vrij voor nieuwe ontwikkelingen in geïntegreerde fotonische circuits of metamaterialen”, zegt Nappin.