Les lasers femtoseconde peuvent être intégrés à des microscopes électroniques pour imager directement les structures et les morphologies transitoires des matériaux en temps et en espace réels. Dans un nouveau rapport, Xuewen Fu et une équipe de scientifiques en physique de la matière condensée, microsystèmes, la nanotechnologie et la science des matériaux en Chine et aux États-Unis ont développé un microscope électronique ultrarapide (UEM) sans laser offrant un potentiel similaire mais sans les lasers femtosecondes requis ni les modifications instrumentales élaborées. L'équipe a créé des impulsions d'électrons picosecondes pour sonder des événements dynamiques en coupant un faisceau continu avec un générateur d'impulsions piloté par radiofréquence (RF) avec un taux de répétition des impulsions réglable de 100 MHz à 12 GHz. Ils ont étudié la dynamique de propagation des ondes électromagnétiques gigahertz comme une application pour la première fois dans ce travail et ont révélé le champ électromagnétique oscillant transitoire sur des échelles de temps nanométriques et picosecondes avec une polarisation résolue en temps, amélioration de l'amplitude et du champ local. L'étude a montré l'utilisation de laser sans, microscopie électronique ultrarapide (UEM) dans la visualisation en espace réel pour la recherche multidisciplinaire, en particulier dans les dispositifs électrodynamiques associés aux technologies de traitement de l'information. Les travaux de recherche sont maintenant publiés dans Avancées scientifiques .

Microscopie électronique moderne et microscopie électronique ultra-rapide sans laser

La microscopie électronique moderne peut permettre aux chercheurs d'obtenir des images de la matière avec une résolution atomique grâce à la longueur d'onde picométrique des faisceaux d'électrons à haute énergie, progrès dans les techniques de correction d'aberrations et de détection directe. La méthode est un outil central de la science des matériaux à la biologie, avec les progrès progressifs de la cristallographie électronique, la tomographie et l'imagerie cryo-particulaire. Classiquement, le faisceau d'électrons d'un microscope est produit par un procédé thermoionique ou d'émission de champ et de telles sources d'électrons produisent des images statiques ou capturées à de longs intervalles de temps en raison des limites inhérentes aux détecteurs d'électrons conventionnels. Les microscopes électroniques avancés nécessitent donc une résolution temporelle forte ou supérieure pour étudier les chemins de réaction dans les transitions physiques et chimiques au-delà des limites du détecteur. Dans ce travail, Fu et al. développé sans laser, microscopie électronique ultra-rapide en combinant un prototype de générateur d'impulsions à faisceau d'électrons piloté par RF pour créer de courtes impulsions d'électrons avec un taux de répétition réglable allant de 100 MHz à 12 GHz. Cette méthode permettra aux chercheurs d'enregistrer des images ultrarapides et de détecter différents modèles de transitions structurelles.

En utilisant la méthode, l'équipe de recherche a optimisé la puissance et la fréquence radiofréquence (RF) d'entrée du générateur d'impulsions pour atteindre une résolution temporelle de 10 picosecondes (ps) dans l'instrument et a utilisé le même signal RF accordable à large bande pour faciliter l'excitation de l'échantillon. Lors des premières démonstrations de sa capacité à étudier la dynamique ultrarapide, Fu et al. a mené une étude pompe-sonde sur la dynamique de propagation des ondes électromagnétiques dans un spécimen de microruban avec deux peignes interdigités, un élément de base des systèmes microélectromécaniques à radiofréquence (MEMS). En combinant les résultats expérimentaux avec des simulations numériques, l'équipe a montré l'électrodynamique d'une propagation d'onde électromagnétique (EM) gigahertz dans l'échantillon de microruban. Ce phénomène peut fondamentalement contribuer à la fonctionnalité de la plupart des dispositifs de traitement de l'information et d'autres techniques d'imagerie qui restent actuellement inaccessibles pour l'imagerie en raison de restrictions de taille.

Conception conceptuelle — nouveau prototype

Dans l'UEM (microscope électronique ultrarapide) sans laser, le système d'impulsions RF est interfacé avec un microscope électronique à transmission (MET). Le générateur d'impulsions contenait deux éléments de ligne à ruban en peigne métallique à ondes progressives avec une petite ouverture de découpage entre eux. Lorsque le pulseur était entraîné par un signal radiofréquence, l'équipe a enregistré la génération d'une onde électromagnétique sinusoïdale (EM) dans le modulateur, tout en introduisant un coup de pied transversal oscillant au faisceau d'électrons continu entrant. L'ouverture de hachage du système a divisé le faisceau continu en impulsions électroniques périodiques. En utilisant la conception actuelle, ils ont établi un champ EM à large bande avec une fréquence allant de 50 MHz à 6 GHz. Les scientifiques ont testé les performances du TEM après avoir intégré le générateur d'impulsions pour enregistrer un ensemble de résultats d'imagerie et de diffraction en mode faisceau continu et en mode faisceau pulsé. L'équipe a examiné des images à fond clair de nanoparticules d'or dans les deux modes qui étaient comparables en termes de profil d'intensité et de contraste. Une qualité d'imagerie comparable entre le mode faisceau pulsé et le mode faisceau continu a montré de bonnes performances et la polyvalence du nouveau prototype UEM sans laser.

La résolution de l'UEM sans laser dépendait de la durée des impulsions d'électrons hachés, qui à son tour dépendait du rapport cyclique du faisceau d'électrons haché. Fu et al. fait varier ce paramètre en modifiant indépendamment la fréquence d'alimentation RF d'entrée et/ou la taille de l'ouverture de hachage. En principe, ils pourraient utiliser une puissance RF d'entrée plus élevée et une fréquence RF plus élevée avec une ouverture de hachage plus petite pour obtenir des résultats plus courts, ainsi que des impulsions électroniques sub-picosecondes ou femtosecondes pour améliorer encore la qualité et la résolution de l'imagerie. L'équipe a ensuite démontré la capacité de mesure ultrarapide de la pompe-sonde de l'UEM sans laser pour comprendre les courants et les champs oscillants nécessaires au fonctionnement de presque tous les appareils de traitement de l'information. Fu et al. noté des images résolues en temps de propagation EM dans la structure en peigne interdigité pour la première fois à un grossissement de 1200x, avec un temps intégral de 1,5 seconde. Ils ont ensuite étudié la dépendance de la dynamique de propagation des ondes électromagnétiques sur la puissance d'excitation, où l'amplitude augmente avec l'augmentation de la puissance d'excitation.

Distribution de champ électrique simulée

Pour mieux comprendre les expériences, Fu et al. effectué des simulations numériques de la propagation des ondes électromagnétiques dans une microbande de deux peignes interdigités avec une géométrie et des matériaux similaires aux expériences, et effectué la simulation à l'aide d'un logiciel d'analyse par éléments finis EM 3D. L'équipe a observé des instantanés de la distribution simulée du champ électrique autour des peignes interdigités à différents temps de retard. Puisque l'échantillon est non magnétique, les effets des champs magnétiques étaient négligeables dans l'expérience. Au fur et à mesure que l'onde électromagnétique se propageait à travers les peignes interdigités à l'étude, un champ électrique oscillant temporel établi entre les entrefers des peignes interdigités. Les résultats simulés étaient en bon accord avec les expériences.

De cette façon, Xuewen Fu et ses collègues ont conçu un microscope électronique ultrarapide (UEM) sans laser avec une haute résolution dans l'espace-temps, en combinant un générateur d'impulsions piloté par radiofréquence (RF) avec un microscope électronique à transmission (MET) commercial. En utilisant l'UEM sans laser, Fu et al. ont étudié le processus de propagation de la longueur d'onde électromagnétique (EM) gigahertz dans une microbande contenant deux peignes interdigités. L'équipe a montré une visualisation directe de l'oscillation du champ EM avec le temps pour révéler l'amplitude du champ, direction de polarisation et propagation des ondes à l'échelle de temps nanomètre-picoseconde, qui était jusqu'alors inaccessible avec d'autres techniques d'imagerie. L'UEM sans laser fournit un chemin puissant pour comprendre l'électrodynamique dans les petits appareils qui fonctionnent sur des fréquences mégahertz à gigahertz, telles que les antennes sans fil, capteurs et systèmes microélectromécaniques RF (MEMS). Une optimisation supplémentaire permettra aux paquets d'ondes sub-picosecondes et même femtosecondes d'activer une résolution temporelle femtoseconde pour les UEM sans laser. Le travail aura de larges implications à travers la physique des matériaux à la biologie et aux technologies de communication mobile.

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