Investigando elétrons com um microscópio de varredura tradicional

Acoplamento de elétron-luz coerente quântico em um SEM ultra-rápido. Os elétrons fotoemitidos por pulsos de laser ultravioleta (roxo) se propagam através da coluna de um SEM comercial. O feixe de elétrons (verde) é focado próximo a uma ponta de agulha de tungstênio (inserção), onde interage com o campo próximo óptico excitado por pulsos de laser de 1030 nm, acoplados ao SEM através de uma janela CF-100 na câmara de amostra do SEM . A lente de focagem asférica (não mostrada) está a 25 mm de distância da ponta, dentro da câmara. Os espectros de elétrons são registrados com um espectrômetro de elétrons de setor magnético compacto de duplo estágio, construído em casa, baseado no filtro Omega, colocado dentro do SEM. O plano de dispersão do espectrômetro é fotografado em um detector de placas de microcanais, cuja tela de fósforo é gravada opticamente de fora da câmara de vácuo com uma câmera CMOS. Uma imagem de exemplo (inserção inferior direita), onde contagens individuais de elétrons (pontos pretos) e ordens de fótons (linhas pontilhadas verticais) podem ser facilmente vistas a olho nu. O espectro PINEM é obtido integrando a imagem da câmera verticalmente [38]. O espectro experimental de média incoerente (preto), com os dados brutos agrupados (azul), mostra 24 ordens PINEM, 12 de cada lado, o máximo que observamos. Crédito:Cartas de Revisão Física (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.128.235301

Físicos da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) projetaram uma estrutura que permite aos cientistas observar interações entre luz e elétrons usando um microscópio eletrônico de varredura tradicional. O procedimento é consideravelmente mais barato do que a tecnologia utilizada até o momento, além de possibilitar uma gama maior de experimentos. Os pesquisadores publicaram suas descobertas na revista Physical Review Letters .
O computador quântico é apenas um exemplo de quão importante é a compreensão dos processos fundamentais subjacentes às interações entre fótons e elétrons. Combinado com pulsos de laser ultracurtos, é possível medir como os fótons alteram a energia e a velocidade dos elétrons. Esta microscopia eletrônica induzida por fótons (PINEM) até agora dependia inteiramente de microscópios eletrônicos de transmissão (TEM). Embora estes tenham a resolução para identificar átomos individuais, eles são consideravelmente mais caros do que os microscópios eletrônicos de varredura (SEM), no entanto, e sua câmara de amostra é extremamente pequena, com apenas alguns milímetros cúbicos de tamanho.

Medir diferenças até apenas algumas centenas de milésimos de um todo

Pesquisadores da Cátedra de Física do Laser do Prof. Dr. Peter Hommelhoff conseguiram agora modificar um SEM tradicional para conduzir experimentos PINEM. Eles projetaram um espectrômetro especial baseado em forças magnéticas que é integrado diretamente no microscópio. O princípio subjacente é que o campo magnético desvia os elétrons em maior ou menor grau, dependendo de sua velocidade. Usando um detector que transforma colisões de elétrons em luz, é fornecida uma leitura precisa desse desvio. O método permite aos pesquisadores medir até mesmo as menores mudanças na energia, até diferenças de apenas várias centenas de milésimos do valor original – o suficiente para diferenciar a contribuição de um único quanta de energia luminosa – um fóton.

Um espectro mais amplo de experimentos possível no futuro

A descoberta dos físicos de Erlangen é pioneira em mais de uma maneira. Do ponto de vista financeiro, poder pesquisar interações fóton-elétron sem usar TEM, que custa vários milhões de euros, poderia tornar a pesquisa mais acessível. Além disso, como a câmara de um SEM geralmente tem um volume de até 20 centímetros cúbicos, uma gama muito maior de experimentos é agora possível, pois componentes ópticos e eletrônicos adicionais, como lentes, prismas e espelhos, podem ser colocados diretamente ao lado das amostras . Os pesquisadores esperam que em poucos anos, todo o campo de experimentos quânticos microscópicos mude de TEM para SEM. + Explorar mais