Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du Département de l'énergie et de l'Université du Nebraska ont mis au point un moyen plus simple de générer des électrons pour l'imagerie et la détection à l'échelle nanométrique, fournir un nouvel outil utile pour la science des matériaux, la bio-imagerie et la recherche quantique fondamentale.

Dans une étude publiée dans le Nouveau Journal de Physique , les chercheurs ont rapporté que le tir d'impulsions laser intenses à travers une nanopointe à fibre optique faisait émettre des électrons à la pointe, créer un « canon à électrons » rapide qui peut être utilisé pour sonder les matériaux. L'appareil permet aux chercheurs d'examiner rapidement les surfaces sous n'importe quel angle, qui offre un énorme avantage par rapport aux techniques existantes moins mobiles.

"Il fonctionne sur le principe de l'activation de la lumière, donc la lumière entre et stimule les électrons dans le métal juste de la bonne manière pour qu'ils gagnent assez d'énergie pour sortir, ", a déclaré Ali Passian du groupe Quantum Information Science de l'ORNL.

Les électrons sont un outil précieux pour observer de près les caractéristiques de surface des matériaux. Les particules subatomiques, qui ont des longueurs d'onde plus courtes que les photons - des particules de lumière - peuvent grossir des objets au nanomètre, ou un milliardième de mètre, résolution - exponentiellement plus élevée que le grossissement de la lumière.

Depuis le milieu des années 2000, les chercheurs ont utilisé des nanopointes pointues pour émettre des électrons dans des faisceaux étroitement focalisés. Les nanopointes offrent une résolution spatiale et temporelle améliorée par rapport aux autres techniques de microscopie électronique à balayage, aider les chercheurs à mieux suivre les interactions en cours à l'échelle nanométrique. Dans ces techniques, des électrons sont émis lorsque les photons excitent les pointes.

Avant cette étude, cependant, Les méthodes d'émission de nanopointes reposent sur une stimulation lumineuse externe. Pour générer des électrons, les chercheurs ont dû aligner soigneusement les faisceaux laser sur le sommet de la nanopointe.

"Précédemment, les lasers devaient suivre les pointes, ce qui est technologiquement une chose beaucoup plus difficile à faire, " dit Herman Batelaan, un co-auteur de l'étude qui dirige la recherche sur le contrôle des électrons à l'Université du Nebraska. La difficulté de la tâche limitait la rapidité avec laquelle les images pouvaient être prises et à partir de quelle position.

Mais Passian avait une idée pour une approche différente. En tirant de la lumière laser à travers une fibre optique flexible pour illuminer son cône, nanopointe revêtue de métal de l'intérieur, il a prédit qu'il pourrait créer un outil plus facilement maniable.

"L'idée était que parce que c'est simple et contenu - la lumière se propage de l'intérieur - vous pouvez sonder différentes parties du matériau à différentes hauteurs et positions latérales, " dit Passian.

Pour savoir si son idée était possible, Passian a fait équipe avec Batelaan puis l'étudiant diplômé Sam Keramati à l'Université du Nebraska. L'équipe du Nebraska a utilisé un laser femtoseconde pour filmer des ultracourts, impulsions intenses à travers une fibre optique et dans une chambre à vide. Dans la chambre, la lumière s'est déplacée à travers une nanopointe de fibre recouverte d'or qui avait été fabriquée à l'ORNL.

L'équipe a en effet observé une émission électronique contrôlée de la nanopointe. Analyser les données, ils ont proposé que le mécanisme permettant l'émission n'est pas simple, mais comprend plutôt une combinaison de facteurs.

L'un des facteurs est que la forme et le revêtement métallique de la nanopointe génèrent un champ électrique qui aide à pousser les électrons hors de la pointe. Un autre facteur est que ce champ électrique au sommet de la nanopointe peut être amélioré par des longueurs d'onde spécifiques de la lumière laser.

"En réglant le laser femtoseconde sur la bonne longueur d'onde, que nous appelons la longueur d'onde de résonance plasmonique de surface, nous avons constaté que nous avons dépassé le seuil d'émission, " a déclaré Keramati. La résonance plasmonique de surface signifie une oscillation collective des électrons à la surface du métal. Au-dessus du seuil d'émission se produit lorsque les électrons absorbent suffisamment d'énergie des photons pour être projetés avec une énergie cinétique initiale.

Pour vérifier que les électrons ont été émis à cause de la lumière et non de la chaleur, l'équipe a étudié les nanopointes elles-mêmes. Les pointes n'ont subi aucun dommage pendant l'expérience, indiquant que le mécanisme d'émission est bien entraîné par la lumière.

Un avantage supplémentaire de la nouvelle technique, ils ont trouvé, est que la capacité de commutation rapide de la source laser leur permet de contrôler l'émission d'électrons à des vitesses supérieures à la nanoseconde. Cela leur donnera un meilleur moyen de capturer des images à un rythme rapide. De telles images peuvent ensuite être reconstituées presque comme un film pour suivre des interactions complexes à l'échelle nanométrique.

Baisser le courant

Satisfait de ces premiers résultats, l'équipe a décidé de tester s'ils pouvaient obtenir un résultat similaire avec un laser à onde continue beaucoup moins puissant, le même type trouvé dans un pointeur laser de tous les jours. Pour compenser le manque de puissance laser, ils ont augmenté la tension à la nanopointe, créer une différence de potentiel énergétique qui, selon eux, pourrait aider à expulser les électrons. A leur grande surprise, ça a marché.

« À notre connaissance, c'est la plus petite intensité laser qui a donné lieu à l'émission d'électrons à partir de nanopointes, " Kéramati, maintenant chercheur postdoctoral, dit des résultats publiés dans Lettres de physique appliquée .

"Maintenant, au lieu d'avoir un puissant, laser extrêmement coûteux, vous pouvez aller avec un laser à diode à 10 $, " a noté Batelaan.

Bien que les lasers à ondes continues n'aient pas les capacités de commutation rapide des lasers femtosecondes plus puissants, la commutation lente offre ses propres avantages; à savoir, la possibilité de mieux contrôler la durée et le nombre d'électrons émis par les nanopointes.

L'équipe a démontré, En réalité, que le contrôle fourni par la commutation lente a permis l'émission d'électrons dans les limites nécessaires à une application futuriste appelée imagerie fantôme d'électrons. L'imagerie fantôme de lumière récemment démontrée exploite les propriétés quantiques de la lumière pour des échantillons sensibles à l'image, telles que les cellules biologiques vivantes, à très faible exposition.

En regroupant plusieurs nanopointes de fibres, l'équipe espère réaliser une imagerie fantôme d'électrons à l'échelle nanométrique.