Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía y la Universidad de Nebraska han desarrollado una forma más fácil de generar electrones para imágenes y sensores a nanoescala. proporcionar una nueva herramienta útil para la ciencia de los materiales, bioimagen e investigación cuántica fundamental.

En un estudio publicado en el Nueva Revista de Física , los investigadores informaron que disparar pulsos de láser intensos a través de una nanotip de fibra óptica hacía que la punta emitiera electrones, creando un "cañón de electrones" rápido que se puede utilizar para sondear materiales. El dispositivo permite a los investigadores examinar rápidamente superficies desde cualquier ángulo, que ofrece una gran ventaja sobre las técnicas existentes menos móviles.

"Funciona según el principio de activación de la luz, para que la luz entre y estimule los electrones en el metal de la manera correcta para que obtengan suficiente energía para salir, ", dijo Ali Passian del grupo de Ciencia de la Información Cuántica de ORNL.

Los electrones son una herramienta invaluable para observar de cerca las características de la superficie de los materiales. Las partículas subatómicas, que tienen longitudes de onda más cortas que los fotones (partículas de luz) pueden magnificar objetos en nanómetros, o una mil millonésima parte de un metro, resolución:exponencialmente más alta que la ampliación de la luz.

Desde mediados de la década de 2000, Los investigadores han utilizado nanotips afilados para emitir electrones en haces muy enfocados. Las nanotips proporcionan una resolución espacial y temporal mejorada en comparación con otras técnicas de microscopía electrónica de barrido. ayudando a los investigadores a rastrear mejor las interacciones en curso a nanoescala. En estas técnicas, los electrones se emiten cuando los fotones excitan las puntas.

Antes de este estudio, sin embargo, Los métodos de emisión de nanotip se han basado en la estimulación de luz externa. Para generar electrones, los investigadores tuvieron que alinear cuidadosamente los rayos láser en el vértice del nanotip.

"Previamente, los láseres tenían que rastrear las puntas, que es tecnológicamente mucho más difícil de hacer, "dijo Herman Batelaan, coautor del estudio que dirige la investigación del control de electrones en la Universidad de Nebraska. La dificultad de la tarea limitaba la rapidez con la que se podían tomar las imágenes y desde qué posición.

Pero Passian tuvo una idea para un enfoque diferente. Al disparar luz láser a través de una fibra óptica flexible para iluminar su cónico, nanotip recubierto de metal desde dentro, predijo que podría crear una herramienta más fácil de maniobrar.

"La idea era que debido a que esto es simple y contenido, la luz se propaga desde el interior, se pueden sondear diferentes partes del material a diferentes alturas y posiciones laterales, "Dijo Passian.

Para averiguar si su idea era posible, Passian se asoció con Batelaan y luego con el estudiante de posgrado Sam Keramati en la Universidad de Nebraska. El equipo de Nebraska usó un láser de femtosegundos para disparar ultracorto, pulsos intensos a través de una fibra óptica y en una cámara de vacío. En la cámara la luz se movía a través de una nanotip de fibra recubierta de oro que había sido fabricada en ORNL.

De hecho, el equipo observó la emisión controlada de electrones del nanotip. Analizando los datos, propusieron que el mecanismo que permite la emisión no es simple, sino que incluye una combinación de factores.

Un factor es que la forma y el recubrimiento metálico de la nanotip genera un campo eléctrico que ayuda a empujar los electrones fuera de la punta. Otro factor es que este campo eléctrico en el vértice del nanotip puede mejorarse mediante longitudes de onda específicas de luz láser.

"Al ajustar el láser de femtosegundos a la longitud de onda correcta, que llamamos la longitud de onda de resonancia del plasmón superficial, descubrimos que superamos el umbral de emisión, "Dijo Keramati. La resonancia de plasmón de superficie significa una oscilación colectiva de los electrones en la superficie del metal. La emisión por encima del umbral ocurre cuando los electrones absorben suficiente energía de los fotones para ser disparados con una energía cinética inicial.

Para verificar que los electrones se emitieron debido a la luz y no al calor, el equipo estudió los propios nanotips. Las puntas no sufrieron daños durante el experimento, lo que indica que el mecanismo de emisión es de hecho impulsado por luz.

Una ventaja adicional de la nueva técnica, ellos encontraron, es que la capacidad de conmutación rápida de la fuente láser les permite controlar la emisión de electrones a velocidades superiores a un nanosegundo. Esto les dará una mejor manera de capturar imágenes a un ritmo rápido. Luego, estas imágenes se pueden juntar casi como una película para rastrear interacciones complejas en la nanoescala.

Rechazando el poder

Satisfecho con estos hallazgos iniciales, el equipo decidió probar si podían lograr un resultado similar con un láser de onda continua mucho menos potente, el mismo tipo que se encuentra en un puntero láser cotidiano. Para compensar la falta de potencia del láser, aumentaron el voltaje en el nanotip, creando una diferencia de potencial de energía que creían que podría ayudar a expulsar electrones. Para su sorpresa, funcionó.

"Hasta donde sabemos, esta es la intensidad de láser más pequeña que ha dado lugar a la emisión de electrones de los nanotips, "Keramati, ahora investigador postdoctoral, dicho de los resultados publicados en Letras de física aplicada .

"Ahora, en lugar de tener un poderoso, láser extremadamente caro, puedes ir con un láser de diodo de $ 10, "Señaló Batelaan.

Aunque los láseres de onda continua carecen de la capacidad de conmutación rápida de los láseres de femtosegundos más potentes, la conmutación lenta ofrece sus propias ventajas; a saber, la posibilidad de controlar mejor la duración y el número de electrones emitidos por nanotips.

El equipo demostró, De hecho, que el control proporcionado por la conmutación lenta permitió la emisión de electrones dentro de los límites necesarios para una aplicación futurista llamada imagen fantasma de electrones. Las imágenes de fantasmas de luz demostradas recientemente aprovechan las propiedades cuánticas de la luz para generar imágenes en muestras sensibles. como las células biológicas vivas, a una exposición muy baja.

Al agrupar varios nanotips de fibra, el equipo espera lograr imágenes fantasma de electrones a nanoescala.