Visualização direta da dinâmica das ondas eletromagnéticas por microscopia eletrônica ultrarrápida sem laser

Sistema UEM sem laser. (A) Esquema do projeto conceitual do UEM sem laser. O TEM com a integração de um sistema pulsador acionado por RF e um circuito de RF controlado por atraso de frequência dupla para a excitação da amostra é mostrado. O pulsador é inserido entre o canhão de elétrons e as lentes da coluna padrão. A inserção mostra um projeto esquemático do pulsador, que consiste em dois elementos stripline de pente metálico de onda progressiva: o modulador K1 e o demodulador K2, com uma abertura de corte entre eles. O modulador K1 varre o feixe de elétrons contínuo através da abertura de corte para criar dois pulsos de elétrons em cada ciclo de RF, enquanto o demodulador K2 compensa o momento transversal induzido por K1 nos pulsos para retificar ainda mais a forma do feixe cortado. (B) Fotografia de nosso sistema UEM sem laser construído em casa com base em um JEOL JEM-2100F Lorentz TEM. O TEM com o pulsador acionado por RF inserido entre o canhão de elétrons e a lente da coluna padrão e a fonte de RF conectada são mostrados. A inserção mostra uma imagem do modulador K1, o demodulador K2 e a abertura de corte dentro do pulsador. Crédito da foto: Xuewen Fu, Escola de Física da Universidade de Nankai. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abc3456

Lasers de femtossegundos podem ser integrados com microscópios eletrônicos para gerar imagens de estruturas e morfologias transitórias em materiais em tempo e espaço real.

Em um novo relatório, Xuewen Fu e uma equipe de cientistas em física da matéria condensada, microssistemas, nanotecnologia e ciência dos materiais na China e nos EUA desenvolveram um microscópio eletrônico ultrarrápido (UEM) sem laser que oferece potencial semelhante, mas sem os lasers de femtossegundos necessários ou elaborados modificações instrumentais. A equipe criou pulsos de elétrons de picossegundos para sondar eventos dinâmicos cortando um feixe contínuo com um pulsador acionado por radiofrequência (RF) com uma taxa de repetição de pulso ajustável de 100 MHz a 12 GHz. Eles estudaram a dinâmica de propagação de ondas eletromagnéticas de gigahertz como uma aplicação pela primeira vez neste trabalho e revelaram o campo eletromagnético oscilante transiente no espaço nanométrico e escalas de tempo de picossegundos com polarização resolvida no tempo, amplitude e aumento de campo local. O estudo mostrou o uso de microscopia eletrônica ultrarrápida (UEM) sem laser na visualização do espaço real para pesquisas multidisciplinares – especificamente em dispositivos eletrodinâmicos associados à tecnologia de processamento de informações. O trabalho de pesquisa foi publicado na Science Advances.

Microscopia eletrônica moderna e microscopia eletrônica ultrarrápida sem laser

A microscopia eletrônica moderna pode permitir aos pesquisadores obter imagens de matéria com resolução atômica devido ao comprimento de onda do picômetro dos feixes de elétrons de alta energia, avanços nas técnicas de correção de aberração e detecção direta. O método é uma ferramenta central da ciência dos materiais à biologia, junto com os avanços progressivos na cristalografia de elétrons, tomografia e imagem crio-partícula única. Convencionalmente, o feixe de elétrons de um microscópio é produzido por um processo termiônico ou de emissão de campo e tais fontes de elétrons produzem imagens estáticas ou aquelas capturadas em longos intervalos de tempo devido aos limites inerentes dos detectores de elétrons convencionais. Os microscópios eletrônicos avançados, portanto, requerem uma resolução temporal forte ou maior para investigar os caminhos da reação em transições físicas e químicas além dos limites do detector. Neste trabalho, Fu et al. desenvolveu microscopia eletrônica ultrarrápida sem laser combinando um protótipo de pulsador de feixe de elétrons acionado por RF para criar pulsos de elétrons curtos com uma taxa de repetição ajustável que varia de 100 MHz a 12 GHz. Este método permitirá aos pesquisadores registrar imagens ultrarrápidas e detectar diferentes padrões de transições estruturais.

Modelagem de amostra de uma microfita de dois pentes interdigitados com a mesma geometria e materiais utilizados no experimento para simulação numérica. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abc3456

Usando o método, a equipe de pesquisa otimizou a potência e a frequência da radiofrequência (RF) de entrada para o pulsador para atingir uma resolução de tempo de 10 picossegundos (ps) no instrumento e usou o mesmo sinal de RF sintonizável de banda larga para facilitar a excitação da amostra. Durante as demonstrações iniciais de sua capacidade de estudar dinâmica ultra-rápida, Fu et al. conduziu um estudo de bomba-sonda na dinâmica de propagação de ondas eletromagnéticas em um espécime de microtira com dois pentes interdigitados – um bloco básico de construção de sistemas microeletromecânicos de radiofrequência (MEMS). Ao combinar resultados experimentais com simulações numéricas, a equipe mostrou a eletrodinâmica de uma propagação de onda eletromagnética (EM) gigahertz no espécime de microfita. Este fenômeno pode contribuir fundamentalmente para a funcionalidade da maioria dos dispositivos de processamento de informações e outras técnicas de imagem que atualmente permanecem inacessíveis para imagens devido às restrições de tamanho.

Projeto conceitual – novo protótipo

No UEM sem laser (microscópio eletrônico ultrarrápido), o sistema pulsador acionado por RF faz interface com um microscópio eletrônico de transmissão (TEM). O pulsador continha dois elementos stripline de pente metálico de onda viajante com uma pequena abertura de corte entre eles. Quando o pulsador era acionado por um sinal de radiofrequência, a equipe registrava a geração de uma onda eletromagnética (EM) sinusoidal no modulador, enquanto introduzia um chute de momento transversal oscilante para o feixe de elétrons contínuo que entrava. A abertura de corte do sistema particionou o feixe contínuo em pulsos de elétrons periódicos. Usando o projeto atual, eles estabeleceram um campo EM de banda larga com uma frequência que varia de 50 MHz a 6 GHz. Os cientistas testaram o desempenho do TEM após integrar o pulsador para registrar um conjunto de imagens e resultados de difração em um modo de feixe contínuo e modo de feixe pulsado. A equipe examinou imagens de campo claro de nanopartículas de ouro em ambos os modos que eram comparáveis tanto no perfil de intensidade quanto no contraste. A qualidade de imagem comparável entre o modo de feixe pulsado e o modo de feixe contínuo mostrou bom desempenho e versatilidade do novo protótipo UEM sem laser.

Comparação da qualidade de imagem e difração entre o modo de feixe contínuo e o modo de feixe pulsado. Imagens e padrões de difração adquiridos no modo de feixe contínuo: (A) imagem de campo claro de nanopartículas de ouro, (B) padrão de difração de nanopartículas de ouro, (C) padrão de difração de um único cristal de VO2 (ao longo do eixo da zona [010]), e (D) imagem de fase de Fresnel fora de foco de vórtice magnético em um disco permalloy ferromagnético circular. Imagens e padrões de difração adquiridos no modo de feixe pulsado com a taxa de repetição de 5,25 GHz: (E) imagem de campo claro de nanopartículas de ouro, (F) padrão de difração de nanopartículas de ouro, (G) padrão de difração de um cristal único de VO2 (ao longo [010] eixo da zona), e (H) imagem de fase de Fresnel fora de foco de vórtice magnético em um disco permalloy ferromagnético circular. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abc3456

Otimizando o experimento e a prova de conceito

A resolução do UEM livre de laser dependia da duração dos pulsos de elétrons cortados, que por sua vez dependiam do ciclo de trabalho do feixe de elétrons cortado. Fu et al. variou este parâmetro alterando independentemente a frequência de potência de RF de entrada e / ou o tamanho da abertura de corte. Em princípio, eles poderiam usar uma potência de RF de entrada mais alta e uma frequência de RF mais alta com uma abertura de corte menor para obter pulsos de elétrons mais curtos, assim como subpicosegundos ou femtossegundos para melhorar ainda mais a qualidade e a resolução da imagem. A equipe então demonstrou a capacidade de medição ultrarrápida da sonda de bomba do UEM sem laser para entender as correntes e campos oscilantes necessários para operar quase qualquer dispositivo de processamento de informações. Fu et al. notou imagens resolvidas no tempo de propagação EM na estrutura de pente interdigitado pela primeira vez em uma ampliação de 1200x, com um tempo integral de 1,5 segundos. Eles então estudaram a dependência da dinâmica de propagação da onda EM na potência de excitação, onde a amplitude aumentava com o aumento da potência de excitação.

Respiração em tempo real de um dente ativo e dois dentes aterrados adjacentes na estrutura do pente interdigitado sob uma excitação de onda eletromagnética de 5,25 GHz (potência de ~ 1 W). Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abc3456

Distribuição de campo elétrico simulado

Para entender melhor os experimentos, Fu et al. realizaram simulações numéricas da propagação de ondas EM em uma microfita de dois favos interdigitados com geometria e materiais semelhantes aos experimentos, e realizaram a simulação usando um pacote de análise de elementos finitos EM 3-D. A equipe observou instantâneos da distribuição do campo elétrico simulado em torno dos favos interdigitados em diferentes tempos de atraso. Como a amostra não é magnética, os efeitos dos campos magnéticos foram insignificantes no experimento. À medida que a onda EM se propagava através dos favos interdigitados sob investigação, um campo elétrico oscilante temporal se estabelecia entre as lacunas dos favos interdigitados. Os resultados simulados estão de acordo com os experimentos.

Simulações numéricas da dinâmica de propagação de ondas EM em dois favos interdigitados. (A) Instantâneos típicos da distribuição do campo elétrico simulado (projetado no plano x-y na espessura do pente médio) em torno dos dentes ativos e de solo em diferentes tempos de atraso (filme S2). As setas indicam a direção dos campos elétricos com cor codificada para a intensidade do campo. (B) Gráficos do campo elétrico Ex em função do tempo em três posições representativas (P1, P2 e P3) em torno de um dente de terra. A intensidade do campo próximo ao canto do dente é mais forte do que outras posições, indicando um aumento de campo local próximo ao canto. (C) Gráficos do campo elétrico correspondente Ey em função do tempo nas três posições representativas. A intensidade do campo de Ey em P1 é quase zero e a de Ex em P3 é quase zero, o que indica que os vetores de campo locais estabelecidos são verticais às superfícies do dente ao longo da direção de passagem do feixe. (D) Gráfico da intensidade do campo elétrico de | Ex | (em valor absoluto) em função da posição ao longo da linha vermelha com uma seta (inserção) perto da superfície de um dente de solo. O aumento acentuado da intensidade do campo próximo ao canto (posição P2) indica um notável aumento do campo local. A intensidade do campo na inserção é codificada por cores com a barra de cores na inserção. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abc3456

Desta forma, Xuewen Fu e colegas projetaram um microscópio eletrônico ultrarrápido sem laser (UEM) com alta resolução no espaço-tempo, combinando um pulsador acionado por radiofrequência (RF) com um microscópio eletrônico de transmissão comercial (TEM). Usando o UEM sem laser, Fu et al. estudaram o processo de propagação de comprimento de onda eletromagnético (EM) gigahertz em uma microfita contendo dois favos interdigitados. A equipe mostrou a visualização direta da oscilação do campo EM com o tempo para revelar a amplitude do campo, a direção da polarização e a propagação da onda na escala de tempo nanômetro-picossegundo, que até então era inacessível com outras técnicas de imagem. O UEM sem laser fornece um caminho poderoso para compreender a eletrodinâmica em pequenos dispositivos que funcionam em frequências megahertz a gigahertz, como antenas sem fio, sensores e sistemas microeletromecânicos de RF (MEMS). Otimização adicional permitirá pacotes de onda sub-picossegundo e até mesmo femtossegundo para permitir resolução de tempo de femtossegundo para UEM sem laser. O trabalho terá amplas implicações em física de materiais para biologia e tecnologias de comunicação móvel.


Publicado em 14/10/2020 18h11

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