Los láseres de femtosegundos se pueden integrar con microscopios electrónicos para obtener imágenes directamente de estructuras y morfologías transitorias en materiales en tiempo real y en el espacio. En un nuevo informe, Xuewen Fu y un equipo de científicos en física de materia condensada, microsistemas, La nanotecnología y la ciencia de los materiales en China y los EE. UU. desarrollaron un microscopio electrónico ultrarrápido (UEM) sin láser que ofrece un potencial similar pero sin los láseres de femtosegundos necesarios ni modificaciones instrumentales elaboradas. El equipo creó pulsos de electrones de picosegundos para sondear eventos dinámicos cortando un haz continuo con un generador de pulsos impulsado por radiofrecuencia (RF) con una frecuencia de repetición de pulsos sintonizable de 100 MHz a 12 GHz. Estudiaron la dinámica de propagación de ondas electromagnéticas de gigahercios como una aplicación por primera vez en este trabajo y revelaron el campo electromagnético oscilante transitorio en el espacio nanométrico y escalas de tiempo de picosegundos con polarización resuelta en el tiempo. amplitud y mejora del campo local. El estudio mostró el uso de láser sin láser, microscopía electrónica ultrarrápida (UEM) en la visualización del espacio real para la investigación multidisciplinaria, específicamente en dispositivos electrodinámicos asociados con la tecnología de procesamiento de información. El trabajo de investigación se publica ahora en Avances de la ciencia .

Microscopía electrónica moderna y microscopía electrónica ultrarrápida sin láser

La microscopía electrónica moderna puede permitir a los investigadores obtener imágenes de materia con resolución atómica debido a la longitud de onda del picómetro de los haces de electrones de alta energía. avances en técnicas de corrección de aberraciones y detección directa. El método es una herramienta central desde la ciencia de los materiales hasta la biología, junto con los avances progresivos en cristalografía electrónica, tomografía e imágenes criogénicas de una sola partícula. Convencionalmente el haz de electrones de un microscopio se produce mediante un proceso termoiónico o de emisión de campo y tales fuentes de electrones producen imágenes estáticas o capturadas a intervalos de tiempo prolongados debido a los límites inherentes de los detectores de electrones convencionales. Por lo tanto, los microscopios electrónicos avanzados requieren una resolución temporal fuerte o mayor para investigar las rutas de reacción en las transiciones físicas y químicas más allá de los límites del detector. En este trabajo, Fu y col. desarrollado sin láser, microscopía electrónica ultrarrápida mediante la combinación de un prototipo de emisor de impulsos de haz de electrones impulsado por RF para crear pulsos de electrones cortos con una frecuencia de repetición sintonizable que va de 100 MHz a 12 GHz. Este método permitirá a los investigadores registrar imágenes ultrarrápidas y detectar diferentes patrones de transiciones estructurales.

Usando el método, El equipo de investigación optimizó la potencia y la frecuencia de entrada de radiofrecuencia (RF) para que el generador de impulsos logre una resolución de tiempo de 10 picosegundos (ps) en el instrumento y utilizó la misma señal de RF sintonizable de banda ancha para facilitar la excitación de la muestra. Durante las demostraciones iniciales de su capacidad para estudiar la dinámica ultrarrápida, Fu y col. realizó un estudio de bomba-sonda sobre la dinámica de propagación de ondas electromagnéticas en una muestra de microbanda con dos peines interdigitados, un componente básico de los sistemas microelectromecánicos de radiofrecuencia (MEMS). Combinando resultados experimentales con simulaciones numéricas, el equipo mostró la electrodinámica de una propagación de ondas electromagnéticas (EM) de gigahercios en la muestra de microbanda. Este fenómeno puede contribuir fundamentalmente a la funcionalidad de la mayoría de los dispositivos de procesamiento de información y otras técnicas de imagen que actualmente siguen siendo inaccesibles para la obtención de imágenes debido a limitaciones de tamaño.

Diseño conceptual:nuevo prototipo

En el UEM (microscopio electrónico ultrarrápido) sin láser, el sistema de impulsos impulsado por RF se interconecta con un microscopio electrónico de transmisión (TEM). El generador de impulsos contenía dos elementos de línea de banda de peine metálicos de onda viajera con una pequeña abertura de corte entre ellos. Cuando el emisor de impulsos fue impulsado por una señal de radiofrecuencia, el equipo registró la generación de una onda electromagnética (EM) sinusoidal en el modulador, mientras se introduce una patada de impulso transversal oscilante al haz de electrones continuo entrante. La apertura de corte del sistema dividió el haz continuo en pulsos de electrones periódicos. Usando el diseño actual, establecieron un campo EM de banda ancha con una frecuencia de 50 MHz a 6 GHz. Los científicos probaron el rendimiento del TEM después de integrar el generador de impulsos para registrar un conjunto de resultados de imágenes y difracción en un modo de haz continuo y un modo de haz pulsado. El equipo examinó imágenes de campo brillante de nanopartículas de oro en ambos modos que eran comparables tanto en el perfil de intensidad como en el contraste. La calidad de imagen comparable entre el modo de haz pulsado y el modo de haz continuo mostró un buen rendimiento y versatilidad del nuevo prototipo de UEM sin láser.

La resolución del UEM sin láser dependía de la duración de los pulsos de electrones cortados, que a su vez dependía del ciclo de trabajo del haz de electrones cortado. Fu y col. varió este parámetro cambiando independientemente la frecuencia de potencia de RF de entrada y / o el tamaño de apertura de corte. En principio, podrían usar una potencia de RF de entrada más alta y una frecuencia de RF más alta con una apertura de corte más pequeña para lograr una menor, así como pulsos de electrones de subpicosegundos o femtosegundos para mejorar aún más la calidad y resolución de las imágenes. Luego, el equipo demostró la capacidad de medición de sonda de bomba ultrarrápida del UEM sin láser para comprender las corrientes y los campos oscilantes necesarios para operar casi cualquier dispositivo de procesamiento de información. Fu y col. notó imágenes con resolución temporal de la propagación EM en la estructura de peine interdigitado por primera vez con un aumento de 1200x, con un tiempo integral de 1,5 segundos. Luego estudiaron la dependencia de la dinámica de propagación de ondas EM de la potencia de excitación, donde la amplitud aumenta con el aumento de la potencia de excitación.

Distribución de campo eléctrico simulado

Para comprender mejor los experimentos, Fu y col. realizó simulaciones numéricas de la propagación de ondas electromagnéticas en una microbanda de dos peines interdigitados con geometría y materiales similares a los experimentos, y llevó a cabo la simulación utilizando un paquete de análisis de elementos finitos EM 3D. El equipo observó instantáneas de la distribución del campo eléctrico simulado alrededor de los peines interdigitados en diferentes tiempos de retraso. Dado que la muestra no es magnética, los efectos de los campos magnéticos fueron insignificantes en el experimento. A medida que la onda EM se propagó a través de los peines interdigitados bajo investigación, un campo eléctrico oscilante temporal establecido entre los espacios de los peines interdigitados. Los resultados simulados estuvieron de acuerdo con los experimentos.

De este modo, Xuewen Fu y sus colegas diseñaron un microscopio electrónico ultrarrápido (UEM) sin láser con alta resolución en el espacio-tiempo, mediante la combinación de un generador de impulsos impulsado por radiofrecuencia (RF) con un microscopio electrónico de transmisión comercial (TEM). Usando el UEM sin láser, Fu y col. estudió el proceso de propagación de longitud de onda electromagnética (EM) de gigahercios en una microbanda que contiene dos peines interdigitados. El equipo mostró visualización directa de la oscilación del campo EM con el tiempo para revelar la amplitud del campo, dirección de polarización y propagación de ondas en la escala de tiempo de nanómetros-picosegundos, que hasta ahora era inaccesible con otras técnicas de imagen. El UEM sin láser proporciona un camino poderoso para comprender la electrodinámica en dispositivos pequeños que funcionan en frecuencias de megahercios a gigahercios, como antenas inalámbricas, sensores y sistemas microelectromecánicos de RF (MEMS). Una mayor optimización permitirá que los paquetes de ondas de subpicosegundos e incluso de femtosegundos permitan una resolución de tiempo de femtosegundos para UEM sin láser. El trabajo tendrá amplias implicaciones desde la física de los materiales hasta la biología y las tecnologías de comunicación móvil.

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