(a) Ilustración del rayo láser que atraviesa el cristal KBBF (arriba) y la lente plana (medio); (b) imagen microscópica de la lente plana grabada sobre un sustrato de CaF2 (inserto:foto del dispositivo óptico); (c) Medida del punto focal. Los perfiles experimentales de los puntos focales cerca del plano focal se miden mediante un escaneo con filo de cuchillo. Basado en los perfiles en los diferentes planos de corte en Z, los perfiles de intensidad laterales (dirección xey) del punto real son recuperados por nuestro algoritmo casero y luego producen el tamaño del punto (FWHM) etiquetado por círculos rojos (dirección x) y verdes (dirección y) (d) Imagen microscópica y (e) imagen de transmisión de barrido de una muestra de grafeno sobre un sustrato de CaF2. Crédito:Yuanhao Mao, Dong Zhao, Shen Yan, Hongjia Zhang, Juan Li, Kai Han, Xiaojun Xu, Chuan Guo, Lexian Yang, Chaofan Zhang, Kun Huang, Yulin Chen
Si los láseres ultravioleta de vacío se pueden enfocar en un punto de haz pequeño, permitirá la investigación de materiales y estructuras mesoscópicas y permitirá la fabricación de nanoobjetos con excelente precisión. Hacia este objetivo, Un científico en China inventó un sistema láser VUV de 177 nm que puede lograr un punto focal submicrónico a una distancia focal larga. Este sistema se puede reequipar para su uso en espectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo (ARPES) de bajo costo y podría beneficiar a la física de la materia condensada.
El rápido desarrollo de materiales cuánticos bidimensionales, como el grafeno bicapa retorcido, superconductores de cobre monocapa, y materiales de sala de espín cuántico, ha demostrado importantes implicaciones científicas y un potencial de aplicación prometedor. Para caracterizar la estructura electrónica de estos materiales / dispositivos, ARPES se usa comúnmente para medir la energía y el momento de los electrones fotoemitidos de muestras iluminadas por rayos X o fuentes de luz ultravioleta de vacío (VUV). Aunque el ARPES resuelto espacialmente basado en rayos X tiene la resolución espacial más alta (~ 100 nm) y se beneficia de la longitud de onda relativamente corta, su resolución energética es típicamente mediocre (> 10 meV), lo que dificulta la visualización de los detalles finos de la estructura electrónica en muchos materiales cuánticos novedosos. Complementario a las fuentes de luz de rayos X, Las fuentes de luz basadas en láser VUV pueden ofrecer una resolución de energía mucho mejor (~ 0,2 meV), mayor profundidad de detección y menor costo (en comparación con las fuentes de luz de sincrotrón). Sin embargo, la longitud de onda más larga de la fuente de luz VUV también deteriora su resolución espacial (típicamente varios micrómetros hasta la fecha), haciéndolo insuficiente para caracterizar muestras de escamas de tamaño pequeño o espacialmente no homogéneas (por ejemplo, magnético, de dominio electrónico o compuesto).
En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , Mao y sus compañeros de trabajo han desarrollado un sistema láser VUV de 177 nm para microscopía de fotoemisión de barrido con un punto focal de <1 μm a una distancia focal larga (~ 45 mm) mediante el uso de una placa de zona libre de aberraciones esféricas. Basado en esta microscopía, también construyeron una plataforma de detección de fluorescencia fuera del eje que exhibe una capacidad superior a los sistemas láser convencionales para revelar las características sutiles de los materiales.
En comparación con la fuente láser DUV actual con resolución espacial utilizada para ARPES, la fuente láser VUV de 177 nm podría ayudar a que la medición ARPES cubra un espacio de impulso más grande y tenga la mejor resolución de energía, pero aún quedan muchos retos y dificultades para que tenga una excelente resolución espacial:
"Primero, Existe una aberración esférica severa en una lente de refracción de alta NA. Segundo, Solo se pueden usar materiales muy limitados en óptica para corregir la aberración esférica debido a la fuerte absorción en las frecuencias VUV. Tercera, es prácticamente difícil comprobar la calidad (colimación, uniformidad y diámetro eficiente) del haz incidente y la alineación entre elementos ópticos, ya que el haz de VUV es invisible y todas las ópticas deben colocarse al vacío o en una cámara sellada llena de gas inerte ".
Este sistema de enfoque láser VUV contiene cinco partes funcionales:un láser de 355 nm, una etapa de segunda generación armónica, una etapa de modelado de vigas, una parte de ajuste de polarización y un elemento de enfoque de la lente plana.
"Para evitar la aberración esférica, introducimos lentes difractivas planas que pueden realizar un enfoque estrecho de la luz mediante el ajuste fino de la interferencia de múltiples haces ", agregaron.
"Este sistema láser VUV tiene una distancia focal ultralarga (~ 45 mm), resolución espacial submicrométrica (~ 760 nm), resolución de energía ultra alta (~ 0,3 meV) y brillo ultra alto (~ 355 MWm-2). Se puede aplicar directamente a instrumentos de investigación científica como la microscopía electrónica de fotoemisión (PEEM), espectrómetro de fotoelectrones de resolución angular (ARPES) y espectrómetro Raman de láser ultravioleta profundo. En el presente, Este sistema se ha conectado con ARPES en la Universidad de ShanghaiTech y revela las características de la banda de energía fina de varios materiales cuánticos nuevos, como los superconductores topológicos cuasi unidimensionales TaSe. 3 , aislantes topológicos magnéticos (MnBi 2 Te 4 )(Bi 2 Te 3 ) m familia, etc, "concluyeron los científicos.
