Os 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 de 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 modificações instrumentais elaboradas. 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 realce de campo local. O estudo mostrou o uso de laser livre, microscopia eletrônica ultrarrápida (UEM) em visualização em espaço real para pesquisa multidisciplinar - especificamente em dispositivos eletrodinâmicos associados à tecnologia de processamento de informações. O trabalho de pesquisa agora está publicado em Avanços da Ciência .

Microscopia eletrônica moderna e microscopia eletrônica ultrarrápida sem laser

A microscopia eletrônica moderna pode permitir que os pesquisadores obtenham imagens da 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 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. Nesse trabalho, Fu et al. desenvolvido sem laser, microscopia eletrônica ultrarrápida, 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.

Usando o método, a equipe de pesquisa otimizou a potência e a frequência de 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 ultrarrápida, Fu et al. conduziu um estudo de bomba-sonda sobre a 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 registrou a geração de uma onda eletromagnética (EM) senoidal no modulador, durante a introdução de um chute de momento transversal oscilante para o feixe de elétrons contínuo de entrada. A abertura de corte do sistema particionou o feixe contínuo em pulsos de elétrons periódicos. Usando o design 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.

A resolução do UEM livre de laser dependia da duração dos pulsos de elétrons cortados, que por sua vez dependia 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 atingir uma menor, bem como pulsos de elétrons subpicosegundos ou femtosegundos 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 todos os dispositivos de processamento de informações. Fu et al. notaram imagens resolvidas no tempo de propagação EM na estrutura em 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 aumentou com o aumento da potência de excitação.

Distribuição de campo elétrico simulado

Para entender melhor os experimentos, Fu et al. realizaram simulações numéricas da propagação da onda EM em uma microfita de dois favos interdigitados com geometria e materiais semelhantes aos dos experimentos, e realizou a simulação usando um pacote de análise de elementos finitos 3-D EM. A equipe observou instantâneos da distribuição do campo elétrico simulado em torno dos favos interdigitados em diferentes tempos de atraso. Uma vez que a amostra é não 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 estabelecido entre as lacunas dos favos interdigitados. Os resultados simulados estão de acordo com os experimentos.

Desta maneira, Xuewen Fu e colegas projetaram um microscópio eletrônico ultrarrápido (UEM) sem laser 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, direção de polarização e propagação de onda na escala de tempo nanômetro-picossegundo, que era até então inacessível com outras técnicas de imagem. O UEM sem laser fornece um caminho poderoso para entender a eletrodinâmica em pequenos dispositivos que funcionam em frequências de 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.

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