Para projetar e melhorar os materiais de armazenamento de energia, dispositivos inteligentes, e muitas outras tecnologias, os pesquisadores precisam entender sua estrutura e química ocultas. Técnicas de pesquisa avançadas, como a imagem de difração de elétrons ultrarrápida pode revelar essa informação. Agora, um grupo de pesquisadores do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) desenvolveu uma versão nova e aprimorada de difração de elétrons no Accelerator Test Facility (ATF) de Brookhaven - um DOE Office of Science User Facility que oferece instrumentação experimental única e avançada para estudando aceleração de partículas para pesquisadores de todo o mundo. Os pesquisadores publicaram suas descobertas em Relatórios Científicos , um jornal de acesso aberto da Nature Research.

O avanço de uma técnica de pesquisa, como a difração ultrarrápida de elétrons, ajudará as futuras gerações de cientistas de materiais a investigar materiais e reações químicas com nova precisão. Muitas mudanças interessantes nos materiais acontecem com extrema rapidez e em pequenos espaços, portanto, técnicas de pesquisa aprimoradas são necessárias para estudá-los para aplicações futuras. Esta versão nova e aprimorada da difração de elétrons oferece um ponto de partida para o aprimoramento de várias técnicas de pesquisa relacionadas ao feixe de elétrons e da instrumentação existente.

"Implementamos nosso novo sistema de foco para feixes de elétrons e demonstramos que podemos melhorar a resolução significativamente quando comparados à técnica de solenóide convencional, "disse Xi Yang, autor do estudo e físico acelerador da National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), um DOE Office of Science User Facility no Brookhaven Lab. "A resolução depende principalmente das propriedades da luz - ou no nosso caso - do feixe de elétrons. Isso é universal para todas as técnicas de imagem, incluindo microscopia de luz e imagem de raios-X. Contudo, é muito mais desafiador focar os elétrons carregados em um feixe quase paralelo do tipo lápis na amostra do que seria com a luz, porque os elétrons são carregados negativamente e, portanto, se repelem. Isso é chamado de efeito de carga espacial. Usando nossa nova configuração, fomos capazes de superar o efeito da carga espacial e obter dados de difração que são três vezes mais brilhantes e duas vezes mais nítidos; é um grande salto na resolução. "

Cada configuração de difração de elétrons usa um feixe de elétrons que é focado na amostra de modo que os elétrons rebatam nos átomos na amostra e viajem mais para o detector atrás da amostra. Os elétrons criam um chamado padrão de difração, que pode ser traduzido na composição estrutural dos materiais em nanoescala. A vantagem de usar elétrons para gerar imagens dessa estrutura interna de materiais é que o chamado limite de difração de elétrons é muito baixo, o que significa que os cientistas podem resolver detalhes menores na estrutura em comparação com outros métodos de difração.

Uma equipe diversificada de pesquisadores era necessária para aprimorar um método de pesquisa tão complexo. A equipe do Brookhaven Lab consistia em especialistas em feixe de elétrons do NSLS-II, especialistas em aceleradores de elétrons da ATF, e especialistas em ciência dos materiais do departamento de física da matéria condensada e ciência dos materiais (CMPMS).

"Este avanço não teria sido possível sem a combinação de toda a nossa experiência em Brookhaven Lab. No NSLS-II, temos experiência em como lidar com o feixe de elétrons. O grupo ATF trouxe a experiência e as capacidades do canhão de elétrons e das tecnologias de laser - ambas necessárias para criar o feixe de elétrons em primeiro lugar. E o grupo CMPMS tem a experiência de amostra e, claro, direciona as necessidades do aplicativo. Esta é uma sinergia única e, juntos, fomos capazes de mostrar como a resolução da técnica pode ser melhorada drasticamente, "disse Li Hua Yu, Físico acelerador sênior NSLS-II e co-autor do estudo.

Para alcançar sua resolução melhorada, a equipe desenvolveu um método diferente para focar o feixe de elétrons. Em vez de usar uma abordagem convencional que envolve ímãs de solenóide, os pesquisadores usaram dois grupos de quatro ímãs quadrupolo para sintonizar o feixe de elétrons. Em comparação com os ímãs solenóides, que atuam como apenas uma lente para moldar o feixe, os ímãs quadrupolo funcionam como um sistema de lentes especializadas para os elétrons, e deram aos cientistas muito mais flexibilidade para ajustar e moldar o feixe de acordo com as necessidades de seu experimento.

"Nosso sistema de lentes pode fornecer uma ampla gama de sintonia do feixe. Podemos otimizar os parâmetros mais importantes, como tamanho do feixe, ou densidade de carga, e divergência de feixe com base nas condições experimentais, e, portanto, fornecer a melhor qualidade de feixe para as necessidades científicas, "disse Yang.

A equipe pode até mesmo ajustar os parâmetros em tempo real com ferramentas de otimização online e corrigir quaisquer não uniformidades na forma do feixe; Contudo, para tornar essa medição possível, a equipe precisava do excelente feixe de elétrons fornecido pelo ATF. O ATF tem um canhão de elétrons que gera um feixe de elétrons extremamente brilhante e ultracurto, que oferece as melhores condições para difração de elétrons.

“A equipe usou uma arma fotocátodo que gera os elétrons por meio de um processo chamado fotoemissão, "disse Mikhail Fedurin, um físico acelerador da ATF. "Nós disparamos um pulso de laser ultracurto em um cátodo de cobre, e quando o pulso atinge o cátodo, uma nuvem de elétrons se forma sobre o cobre. Nós puxamos os elétrons usando um campo elétrico e então os aceleramos. A quantidade de elétrons em um desses pulsos e nossa capacidade de acelerá-los para energias específicas tornam nosso sistema atraente para a pesquisa da ciência dos materiais - particularmente para difração ultrarrápida de elétrons. "

O sistema de focagem junto com o feixe de elétrons ATF é muito sensível, para que os pesquisadores possam medir as influências do campo magnético da Terra no feixe de elétrons.

"Em geral, elétrons são sempre influenciados por campos magnéticos - é assim que os dirigimos em aceleradores de partículas em primeiro lugar; Contudo, o efeito do campo magnético da Terra não é desprezível para o feixe de baixa energia que usamos neste experimento, "disse Victor Smalyuk, Líder do grupo de física do acelerador NSLS-II e co-autor do estudo. "O feixe desviou-se da trajetória desejada, que criou dificuldades durante a fase inicial de partida, então tivemos que corrigir esse efeito. "

Além do alto brilho do feixe de elétrons e da alta precisão do sistema de focagem, a equipe também precisava da amostra certa para fazer essas medições. O grupo CMPMS forneceu à equipe um filme de ouro policristalino para explorar totalmente o sistema de lentes recém-projetado e colocá-lo em teste.

"Fizemos a amostra depositando os átomos de ouro em um filme de carbono com vários nanômetros de espessura usando uma técnica chamada evaporação térmica, "disse Junjie Li, um físico do departamento CMPMS. "Evaporamos as partículas de ouro para que se condensem no filme de carbono e se formem minúsculas, nanopartículas isoladas que lentamente se fundem e formam o filme policristalino. "

Esse filme foi essencial para as medições porque possui cristais orientados aleatoriamente que se fundem. Portanto, a estrutura interna da amostra não é uniforme, mas consiste em muitas áreas de orientação diferente, o que significa que o padrão de difração depende principalmente das qualidades do feixe de elétrons. Isso dá aos cientistas o melhor terreno para realmente testar seu sistema de lentes, para ajustar o feixe, e ver o impacto de seu ajuste diretamente na qualidade da medição da difração.

"Inicialmente, buscamos melhorar a difração de elétrons para estudos científicos de materiais, mas também descobrimos que essa técnica pode nos ajudar a caracterizar nosso feixe de elétrons. Na verdade, a difração é muito sensível aos parâmetros do feixe de elétrons, então podemos usar o padrão de difração de uma amostra conhecida para medir nossos parâmetros de feixe de forma precisa e direta, o que geralmente não é tão fácil, "disse Yang.

A equipe pretende buscar mais melhorias, e eles já têm planos de desenvolver outra configuração para microscopia eletrônica ultrarrápida para visualizar diretamente uma amostra biológica.

"Esperamos obter imagens ultrarrápidas de feixe de elétrons em um único momento e talvez até fazer filmes moleculares, o que não é possível com nossa configuração de imagem de feixe de elétrons atual, "disse Yang.