Si les lasers ultraviolets sous vide peuvent être focalisés sur un petit faisceau, il permettra l'étude de matériaux et de structures mésoscopiques et permettra la fabrication de nano-objets avec une excellente précision. Vers cet objectif, Un scientifique chinois a inventé un système laser VUV de 177 nm qui peut atteindre un point focal submicronique à une longue distance focale. Ce système peut être rééquipé pour une utilisation en spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) à faible coût et pourrait bénéficier à la physique de la matière condensée.

Le développement rapide des matériaux quantiques bidimensionnels, comme le graphène bicouche torsadé, supraconducteurs en cuivre monocouche, et les matériaux Hall à spin quantique, a démontré à la fois des implications scientifiques importantes et un potentiel d'application prometteur. Pour caractériser la structure électronique de ces matériaux/dispositifs, ARPES est couramment utilisé pour mesurer l'énergie et la quantité de mouvement des électrons photoémis à partir d'échantillons illuminés par des sources lumineuses à rayons X ou ultraviolets sous vide (VUV). Bien que l'ARPES à résolution spatiale basée sur les rayons X ait la résolution spatiale la plus élevée (~ 100 nm) bénéficiant de la longueur d'onde relativement courte, sa résolution en énergie est généralement médiocre (> 10 meV), ce qui rend difficile la visualisation des détails fins de la structure électronique dans de nombreux nouveaux matériaux quantiques. Complémentaire aux sources lumineuses à rayons X, Les sources lumineuses à laser VUV peuvent offrir une bien meilleure résolution énergétique (~0,2 meV), une profondeur de détection plus profonde et un coût inférieur (par rapport aux sources lumineuses synchrotron). Cependant, la longueur d'onde plus longue de la source lumineuse VUV détériore également sa résolution spatiale (typiquement plusieurs micromètres à ce jour), ce qui le rend insuffisant pour caractériser des échantillons d'éclats de petite taille ou spatialement inhomogènes (par exemple, magnétique, domaine électronique ou composite).

Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , Mao et ses collaborateurs ont développé un système laser VUV 177 nm pour la microscopie à photoémission à balayage avec un foyer de <1 m à une longue focale (~ 45 mm) en utilisant une plaque de zone sans aberration sphérique. Sur la base de cette microscopie, ils ont également construit une plate-forme de détection de fluorescence hors axe qui présente une capacité supérieure aux systèmes laser conventionnels pour révéler les caractéristiques subtiles des matériaux.

Par rapport à la source laser DUV actuelle à résolution spatiale utilisée pour l'ARPES, la source laser VUV de 177 nm pourrait aider la mesure ARPES à couvrir un plus grand espace de quantité de mouvement et a la meilleure résolution en énergie, mais il y a encore de nombreux défis et difficultés pour lui faire avoir une excellente résolution spatiale :

"D'abord, une aberration sphérique sévère existe dans une lentille de réfraction à haute NA. Seconde, seuls des matériaux très limités peuvent être utilisés en optique pour corriger l'aberration sphérique due à la forte absorption aux fréquences VUV. Troisième, il est pratiquement difficile de contrôler la qualité (collimation, uniformité et diamètre efficace) du faisceau incident et l'alignement entre les éléments optiques, car le faisceau VUV est invisible et toutes les optiques doivent être placées sous vide ou dans une chambre étanche remplie de gaz inerte."

Ce système de focalisation laser VUV contient cinq parties fonctionnelles :un laser 355 nm, un étage de génération de deuxième harmonique, une étape de mise en forme du faisceau, une partie de réglage de polarisation et un élément de focalisation de la lentille plate.

"Pour éviter l'aberration sphérique, nous introduisons des lentilles diffractives planes qui peuvent réaliser une focalisation étroite de la lumière en ajustant finement les interférences de plusieurs faisceaux ", ont-ils ajouté.

"Ce système laser VUV a une focale ultra-longue (~45 mm), résolution spatiale submicronique (~760 nm), résolution énergétique ultra-élevée (~0,3 meV) et luminosité ultra-élevée (~355 MWm-2). Il peut être directement appliqué aux instruments de recherche scientifique tels que la microscopie électronique à photoémission (PEEM), spectromètre photoélectronique à résolution angulaire (ARPES) et spectromètre Raman laser ultraviolet profond. Maintenant, ce système a été connecté à l'ARPES de l'Université de ShanghaiTech, révélant les caractéristiques de la bande d'énergie fine de divers nouveaux matériaux quantiques tels que les supraconducteurs topologiques quasi-unidimensionnels TaSe 3 , isolants topologiques magnétiques (MnBi 2 Te 4 )(Bi 2 Te 3 ) ma famille, etc, " ont conclu les scientifiques.