Tres físicos de RIKEN han demostrado el potencial de una forma ultrarrápida de microscopía electrónica de transmisión para medir ondas sonoras en nanoestructuras. Esto podría ayudar a desarrollar un método de obtención de imágenes de alta resolución que utilice ondas sonoras de frecuencia ultraalta para obtener imágenes de estructuras de tamaño nanométrico.
La ecografía se utiliza habitualmente en clínicas y hospitales para obtener imágenes de los órganos internos y de los bebés en el útero. Las ondas sonoras utilizadas suelen tener una longitud de onda de unos pocos milímetros, por lo que pueden generar imágenes de estructuras hasta ese nivel.
Si bien esta resolución está bien para imágenes médicas, a los físicos les gustaría usar ondas sonoras para obtener imágenes de estructuras en materiales que tienen un tamaño de unos pocos nanómetros.
"Si podemos utilizar ondas sonoras que tengan longitudes de onda de unos 100 nanómetros aproximadamente, podremos utilizarlas para inspeccionar materiales, por ejemplo para encontrar defectos", explica Asuka Nakamura del Centro RIKEN para Ciencias de la Materia Emergente (CEMS). "Pero la sensibilidad a los pequeños defectos depende realmente de la longitud de onda."
Esto requiere generar y detectar ondas sonoras que tengan longitudes de onda mucho más pequeñas (y, por tanto, frecuencias más altas). Crear ondas sonoras de alta frecuencia es relativamente fácil:durante varias décadas se han utilizado pulsos láser ultracortos para generarlas en metales y semiconductores. Pero detectarlos es mucho más desafiante ya que requiere desarrollar detectores capaces de alcanzar una resolución de nanómetros en el espacio y picosegundos en el tiempo.
Ahora, Nakamura, junto con sus colegas del CEM Takahiro Shimojima y Kyoko Ishizaka, han demostrado el potencial de un tipo especial de microscopio electrónico para obtener imágenes de ondas sonoras de frecuencia ultraalta. La investigación se publica en la revista Nano Letters. .
En concreto, utilizaron un microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida (UTEM) para detectar ondas sonoras generadas por un agujero de 200 nanómetros en el centro de una placa de silicio ultrafina. Un UTEM utiliza dos rayos láser con un ligero retraso entre ellos (ver figura arriba). Un haz ilumina la muestra, mientras que el otro genera un pulso ultracorto de electrones en el microscopio. Esta configuración permite resolver plazos muy cortos.
Cuando el trío simuló las ondas teóricamente y comparó las simulaciones con imágenes obtenidas experimentalmente, encontraron un buen acuerdo.
La calidad de las imágenes superó las expectativas del equipo, lo que les permitió realizar análisis de transformada de Fourier, una técnica analítica matemática comúnmente utilizada, en las imágenes. "Antes de realizar estos experimentos, no pretendíamos caracterizar las ondas sonoras", afirma Nakamura. "Pero después de tomar los datos, notamos que eran muy hermosos y que podíamos aplicar la transformación de Fourier. Eso fue sorprendente para mí".
Los investigadores ahora pretenden investigar la dinámica estructural y magnética ultrarrápida en sólidos inducida por ondas sonoras nanométricas utilizando UTEM.
Más información: Asuka Nakamura et al, Caracterización de una onda acústica submicrométrica de gigahercios inducida ópticamente en una placa delgada de silicio, Nano letras (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.2c03938
Información de la revista: Nanoletras
Proporcionado por RIKEN
