Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia e da Universidade de Nebraska desenvolveram uma maneira mais fácil de gerar elétrons para imagens e sensores em nanoescala, fornecendo uma nova ferramenta útil para a ciência dos materiais, bioimagem e pesquisa quântica fundamental.

Em um estudo publicado no New Journal of Physics , os pesquisadores relataram que o disparo de pulsos de laser intensos através de uma nanoponta de fibra óptica fez com que a ponta emitisse elétrons, criando um rápido "canhão de elétrons" que pode ser usado para sondar materiais. O dispositivo permite que os pesquisadores examinem rapidamente as superfícies de qualquer ângulo, que oferece uma grande vantagem sobre as técnicas existentes menos móveis.

"Funciona com base no princípio da ativação da luz, então a luz entra e estimula os elétrons no metal da maneira certa para que eles ganhem energia suficiente para sair, "disse Ali Passian, do grupo Quantum Information Science do ORNL.

Os elétrons são uma ferramenta valiosa para obter uma visão de perto das características da superfície dos materiais. As partículas subatômicas, que têm comprimentos de onda mais curtos do que os fótons - partículas de luz - podem ampliar objetos a nanômetros, ou um bilionésimo de metro, resolução - exponencialmente maior do que a ampliação de luz.

Desde meados dos anos 2000, os pesquisadores usaram nanopontas afiadas para emitir elétrons em feixes fortemente focados. As nanopontas fornecem resolução espacial e temporal melhorada em comparação com outras técnicas de microscopia eletrônica de varredura, ajudando os pesquisadores a rastrear melhor as interações em andamento em nanoescala. Nessas técnicas, elétrons são emitidos quando fótons excitam as pontas.

Antes deste estudo, Contudo, os métodos de emissão de nanotipas contam com estimulação de luz externa. Para gerar elétrons, os pesquisadores tiveram que alinhar cuidadosamente os feixes de laser no ápice da nanoponta.

"Anteriormente, lasers tiveram que rastrear as pontas, o que é tecnologicamente muito mais difícil de fazer, "disse Herman Batelaan, um co-autor do estudo que lidera a pesquisa de controle de elétrons na Universidade de Nebraska. A dificuldade da tarefa limitava a rapidez com que as imagens podiam ser tiradas e de que posição.

Mas Passian teve uma ideia para uma abordagem diferente. Ao disparar luz laser através de uma fibra óptica flexível para iluminar sua forma cônica, nanotip revestido de metal de dentro, ele previu que poderia criar uma ferramenta mais facilmente manobrável.

"A ideia era que, por ser simples e contido - a luz se propaga de dentro - você pode sondar diferentes partes do material em diferentes alturas e posições laterais, "Passian disse.

Para descobrir se sua ideia era possível, Passian se juntou a Batelaan e então o estudante de graduação Sam Keramati na Universidade de Nebraska. A equipe de Nebraska usou um laser de femtosegundo para disparar ultracurto, pulsos intensos através de uma fibra óptica e em uma câmara de vácuo. Na câmara, a luz se movia através de uma nanoponta de fibra revestida de ouro que havia sido fabricada na ORNL.

A equipe de fato observou a emissão controlada de elétrons da nanotip. Analisando os dados, propuseram que o mecanismo de emissão não é simples, mas inclui uma combinação de fatores.

Um fator é que a forma e o revestimento metálico da nanoponta geram um campo elétrico que ajuda a empurrar os elétrons para fora da ponta. Outro fator é que este campo elétrico no ápice da nanoponta pode ser aumentado por comprimentos de onda específicos da luz do laser.

"Ao sintonizar o laser de femtossegundo no comprimento de onda correto, que chamamos de comprimento de onda de ressonância de plasmão de superfície, descobrimos que obtivemos emissão acima do limite, "Disse Keramati. A ressonância plasmônica de superfície significa uma oscilação coletiva dos elétrons na superfície do metal. A emissão acima do limite ocorre quando os elétrons absorvem energia suficiente dos fótons para serem disparados com uma energia cinética inicial.

Para verificar se os elétrons foram emitidos devido à luz e não ao calor, a equipe estudou as próprias nanopontas. As pontas não sofreram danos durante o experimento, indicando que o mecanismo de emissão é realmente movido a luz.

Uma vantagem adicional da nova técnica, eles encontraram, é que a capacidade de comutação rápida da fonte de laser permite que eles controlem a emissão de elétrons em velocidades superiores a um nanossegundo. Isso lhes dará uma maneira melhor de capturar imagens em um ritmo rápido. Essas imagens podem então ser montadas quase como um filme para rastrear interações complexas em nanoescala.

Desligando a energia

Satisfeito com essas descobertas iniciais, a equipe decidiu testar se eles poderiam alcançar um resultado semelhante com um laser de onda contínua muito menos potente, o mesmo tipo encontrado em um ponteiro laser comum. Para compensar a falta de potência do laser, eles aumentaram a voltagem no nanotip, criando uma diferença de potencial de energia que eles acreditavam que poderia ajudar a expelir elétrons. Para sua surpresa, funcionou.

"Até onde sabemos, esta é a menor intensidade do laser que deu origem à emissão de elétrons das nanopontas, "Keramati, agora um pesquisador de pós-doutorado, dito dos resultados publicados em Cartas de Física Aplicada .

"Agora, em vez de ter um poderoso, laser extremamente caro, você pode ir com um laser de diodo de $ 10, "Batelaan observou.

Embora os lasers de onda contínua não tenham os recursos de comutação rápida dos lasers de femtossegundos mais poderosos, a comutação lenta oferece suas próprias vantagens; nomeadamente, a possibilidade de controlar melhor a duração e o número de elétrons emitidos pelas nanopontas.

A equipe demonstrou, na verdade, que o controle fornecido pela comutação lenta habilitou a emissão de elétrons dentro dos limites necessários para uma aplicação futurística chamada de imagem fantasma de elétrons. A imagem fantasma de luz recentemente demonstrada aproveita as propriedades quânticas da luz para amostras sensíveis à imagem, como células biológicas vivas, com exposição muito baixa.

Ao agrupar várias nanopontas de fibra, a equipe espera obter imagens fantasmas de elétrons em nanoescala.