Étude des électrons avec un microscope à balayage traditionnel

Couplage quantique cohérent électron-lumière dans un SEM ultra-rapide. Les électrons photoémis par les impulsions laser ultraviolettes (violet) se propagent à travers la colonne d'un SEM commercial. Le faisceau d'électrons (vert) est focalisé à proximité d'une pointe d'aiguille en tungstène (encart), où il interagit avec le champ proche optique excité par des impulsions laser de 1030 nm, couplé au SEM via une fenêtre CF-100 dans la chambre d'échantillon SEM . La lentille de focalisation asphérique (non représentée) est à 25 mm de la pointe, à l'intérieur de la chambre. Les spectres d'électrons sont enregistrés avec un spectromètre d'électrons à secteur magnétique compact à deux étages construit maison basé sur le filtre Omega, placé à l'intérieur du SEM. Le plan de dispersion du spectromètre est imagé sur un détecteur à plaque à microcanaux, dont l'écran de phosphore est enregistré optiquement depuis l'extérieur de la chambre à vide avec une caméra CMOS. Un exemple d'image (encadré en bas à droite), où les comptages d'électrons individuels (points noirs) et les ordres de photons (lignes pointillées verticales) peuvent être facilement vus par l'œil. Le spectre PINEM est obtenu en intégrant verticalement l'image de la caméra [38]. Le spectre expérimental moyen incohérent (noir), avec les données brutes et regroupées (bleu), montre 24 ordres PINEM, 12 de chaque côté, le maximum que nous avons observé. Crédit :Lettres d'examen physique (2022). DOI :10.1103/PhysRevLett.128.235301

Les physiciens de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ont conçu un cadre qui permet aux scientifiques d'observer les interactions entre la lumière et les électrons à l'aide d'un microscope électronique à balayage traditionnel. La procédure est considérablement moins chère que la technologie utilisée jusqu'à présent et permet également un plus large éventail d'expériences. Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans la revue Physical Review Letters .

L'ordinateur quantique n'est qu'un exemple de l'importance de comprendre les processus fondamentaux qui sous-tendent les interactions entre les photons et les électrons. Combiné à des impulsions laser ultra-courtes, il est possible de mesurer comment les photons modifient l'énergie et la vitesse des électrons. Cette microscopie électronique induite par les photons (PINEM) reposait jusqu'à présent entièrement sur les microscopes électroniques à transmission (MET). Bien que ceux-ci aient la résolution nécessaire pour localiser des atomes individuels, ils sont cependant considérablement plus chers que les microscopes électroniques à balayage (MEB), et leur chambre d'échantillonnage est extrêmement petite, seulement quelques millimètres cubes.

Mesurer les différences jusqu'à quelques centaines de millièmes d'un tout

Des chercheurs de la chaire de physique des lasers du professeur Peter Hommelhoff ont maintenant réussi à modifier un SEM traditionnel pour mener des expériences PINEM. Ils ont conçu un spectromètre spécial basé sur les forces magnétiques qui est intégré directement dans le microscope. Le principe sous-jacent est que le champ magnétique détourne plus ou moins les électrons en fonction de leur vitesse. En utilisant un détecteur qui transforme les collisions d'électrons en lumière, une lecture précise de cette déviation est donnée. La méthode permet aux chercheurs de mesurer même les plus petits changements d'énergie, jusqu'à des différences de seulement quelques centaines de millièmes de la valeur d'origine, suffisamment pour différencier la contribution d'un seul quanta d'énergie lumineuse, un photon.

Un plus large éventail d'expériences possibles à l'avenir

La découverte des physiciens d'Erlangen est pionnière à plus d'un titre. D'un point de vue financier, pouvoir rechercher des interactions photon-électron sans utiliser le TEM, qui coûte plusieurs millions d'euros, pourrait rendre la recherche plus accessible. De plus, comme la chambre d'un SEM a généralement un volume allant jusqu'à 20 centimètres cubes, une gamme d'expériences beaucoup plus large est désormais possible, car des composants optiques et électroniques supplémentaires tels que des lentilles, des prismes et des miroirs peuvent être placés directement à côté des échantillons. . Les chercheurs s'attendent à ce que dans quelques années, l'ensemble du domaine des expériences quantiques microscopiques passe du TEM au SEM. + Explorer plus loin