(a) Ilustração do feixe de laser passando pelo cristal KBBF (topo) e pela lente plana (meio); (b) imagem microscópica da lente plana gravada em um substrato CaF2 (inserção:foto do dispositivo óptico); (c) Medição do ponto focal. Os perfis experimentais de pontos focais próximos ao plano focal são medidos por varredura de lâmina de faca. Com base nos perfis nos diferentes planos de corte em z, os perfis de intensidade lateral (direção xey) do ponto real são recuperados por nosso algoritmo caseiro e, em seguida, produzem o tamanho do ponto (FWHM) rotulado por círculos vermelhos (direção x) e verdes (direção y) (d) Imagem microscópica e (e) imagem de transmissão de varredura de uma amostra de grafeno em um substrato CaF2. Crédito:Yuanhao Mao, Dong Zhao, Shen Yan, Hongjia Zhang, Juan Li, Kai Han, Xiaojun Xu, Chuan Guo, Lexian Yang, Chaofan Zhang, Kun Huang, Yulin Chen
Se os lasers ultravioleta a vácuo puderem ser focados em um pequeno ponto de feixe, permitirá a investigação de materiais e estruturas mesoscópicas e possibilitará a fabricação de nanoobjetos com excelente precisão. Em direção a esse objetivo, Cientista na China inventou um sistema de laser VUV de 177 nm que pode atingir um ponto focal sub-mícron em uma longa distância focal. Este sistema pode ser reequipado para uso em espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) de baixo custo e pode beneficiar a física da matéria condensada.
O rápido desenvolvimento de materiais quânticos bidimensionais, como grafeno de camada dupla torcida, supercondutores de cobre monocamada, e materiais Hall de spin quântico, demonstrou implicações científicas importantes e potencial de aplicação promissor. Para caracterizar a estrutura eletrônica desses materiais / dispositivos, ARPES é comumente usado para medir a energia e momentum de elétrons fotoemitidos de amostras iluminadas por raios-X ou fontes de luz ultravioleta a vácuo (VUV). Embora o ARPES espacialmente resolvido baseado em raios-X tenha a resolução espacial mais alta (~ 100 nm), beneficiando-se do comprimento de onda relativamente curto, sua resolução de energia é tipicamente medíocre (> 10 meV), o que torna difícil visualizar os detalhes finos da estrutura eletrônica em muitos novos materiais quânticos. Complementar às fontes de luz de raios-X, Fontes de luz baseadas em laser VUV podem oferecer resolução de energia muito melhor (~ 0,2 meV), maior profundidade de detecção e menor custo (em comparação com fontes de luz síncrotron). Contudo, o comprimento de onda mais longo da fonte de luz VUV também deteriora sua resolução espacial (normalmente vários micrômetros até o momento), tornando-o insuficiente para caracterizar amostras de flocos de pequeno tamanho ou espacialmente não homogêneos (por exemplo, magnético, materiais de domínio eletrônico ou composto).
Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicações , Mao e seus colegas de trabalho desenvolveram um sistema de laser VUV de 177 nm para microscopia de fotoemissão de varredura com um ponto focal de <1 μm em uma distância focal longa (~ 45 mm) usando uma placa de zona livre de aberração esférica. Com base nesta microscopia, eles também construíram uma plataforma de detecção de fluorescência fora do eixo que exibe capacidade superior aos sistemas convencionais de laser em revelar características sutis de materiais.
Em comparação com a fonte de laser DUV atual com resolução espacial usada para ARPES, a fonte de laser VUV de 177 nm pode ajudar a medição ARPES a cobrir um espaço de momento maior e tem a melhor resolução de energia, mas ainda existem muitos desafios e dificuldades para que tenha excelente resolução espacial:
"Primeiro, aberração esférica severa existe em uma lente de refração de alto NA. Segundo, apenas materiais muito limitados podem ser usados em óptica para corrigir a aberração esférica devido à forte absorção nas frequências VUV. Terceiro, é praticamente difícil verificar a qualidade (colimação, uniformidade e diâmetro eficiente) do feixe incidente e o alinhamento entre os elementos ópticos, já que o feixe VUV é invisível e todas as ópticas devem ser colocadas em vácuo ou em uma câmara selada cheia de gás inerte. "
Este sistema de foco a laser VUV contém cinco partes funcionais:um laser de 355 nm, um estágio de geração de segundo harmônico, um estágio de formação de feixe, uma peça de ajuste de polarização e um elemento de foco da lente plana.
"Para evitar a aberração esférica, introduzimos lentes difrativas planas que podem realizar o foco preciso da luz por meio do ajuste fino da interferência de vários feixes ", acrescentaram.
"Este sistema de laser VUV tem distância focal ultralonga (~ 45 mm), resolução espacial sub-mícron (~ 760 nm), resolução de energia ultra-alta (~ 0,3 meV) e brilho ultra-alto (~ 355 MWm-2). Pode ser aplicado diretamente a instrumentos de pesquisa científica, como microscopia eletrônica de fotoemissão (PEEM), espectrômetro de fotoelétrons de ângulo resolvido (ARPES) e espectrômetro Raman de laser ultravioleta profundo. Atualmente, este sistema foi conectado com o ARPES na ShanghaiTech University revelando as características da banda de energia fina de vários novos materiais quânticos, como supercondutores topológicos quase unidimensionais TaSe 3 , isoladores topológicos magnéticos (MnBi 2 Te 4 )(Bi 2 Te 3 ) m família, etc, "concluíram os cientistas.
