Coletando padrões de difração de hélio em regiões microscópicas de amostras
Representação esquemática da difração de hélio de uma superfície LiF, onde um padrão de difração 2D pode ser formado variando a rotação da amostra e o ângulo de detecção de saída. Crédito:Matthew Bergin e Nick von Jeinsen. Avanços científicos recentes abriram novas oportunidades para a observação atenta de fenômenos físicos. Pesquisadores da Universidade de Cambridge e da Universidade de Newcastle introduziram recentemente um novo método para medir a difração do átomo de hélio com resolução espacial microscópica.
Este método, descrito em um artigo em Physical Review Letters , permite aos físicos estudar materiais sensíveis a elétrons e compreender melhor sua morfologia usando microdifração de hélio.
“O microscópio de varredura de hélio foi desenvolvido em vários grupos de pesquisa por mais de uma década com foco na melhoria da resolução do instrumento e no estudo de amostras tecnológicas e biológicas”, disse Matthew Bergin, coautor do artigo, ao Phys.org. "No entanto, relativamente pouco trabalho foi feito sobre o uso do aspecto ondulatório da matéria do feixe de hélio para estudar superfícies ordenadas com um microscópio de varredura de hélio."
O estudo recente de Bergin e seus colegas baseia-se em um de seus artigos anteriores publicados na Scientific Reports em 2020. Neste trabalho anterior, os pesquisadores observaram a assinatura de difração de um ponto microscópico em uma amostra, mas não conseguiram medir diretamente seu padrão de difração subjacente.
No seu novo artigo, eles decidiram continuar o seu trabalho nesta área. O objetivo subjacente do seu estudo era demonstrar que uma onda de matéria baseada em átomos poderia ser usada para formar um padrão de difração a partir de regiões espacialmente resolvidas de uma superfície.
"Devido à dualidade partícula-onda dos átomos, um feixe de hélio direcionado a uma rede pode se comportar como uma onda e difratar da estrutura periódica", disse Bergin. "Os átomos de hélio com energia térmica possuem uma energia tão baixa (<100meV) que o padrão de difração obtido é garantido como exclusivamente sensível à estrutura da superfície.
"A dispersão de átomos de hélio é uma técnica bem estabelecida que utiliza a posição e a intensidade desses picos de difração para estudar a superfície de uma amostra, no entanto, até agora, esses estudos foram restritos a cristais homogêneos com pelo menos vários milímetros de tamanho."
Em seus experimentos, Bergin e seus colegas usaram um microscópio de varredura de hélio que usa um orifício para colimar um feixe de hélio. Com este microscópio e uma estratégia cuidadosamente projetada, eles foram capazes de coletar padrões de difração de uma pequena região (~10um) de uma amostra, apesar de usarem um detector fixo.
"Ao calibrar cuidadosamente o instrumento, podemos mover os estágios de posicionamento e rotação da amostra para variar o ângulo de detecção de saída e o azimute da amostra enquanto iluminamos o mesmo local", explicou Bergin. "O resultado é que podemos construir um padrão de difração exclusivamente sensível à superfície a partir da pequena área iluminada da amostra."
O trabalho recente desta equipe de pesquisa demonstra a viabilidade do uso de átomos para coletar um padrão de difração de uma região microscópica na superfície de uma amostra. O método proposto poderia ser usado por outros físicos para estudar padrões de difração e obter novos insights sobre materiais que não podem ser examinados com precisão usando técnicas convencionais de dispersão de átomos.
"As capacidades espacialmente resolvidas do instrumento combinadas com a excelente sensibilidade de superfície agora nos permitem usar o espalhamento de átomos para medir as propriedades de materiais de pequenas amostras com características de superfície interessantes, como flocos de materiais 2D", acrescentou Bergin.
"Na Universidade de Cambridge, já começou o trabalho de aplicação da técnica para medir a difração de flocos de materiais 2D. Enquanto isso, colegas da Universidade de Newcastle estão desenvolvendo um novo estágio de medição que pode mover diretamente o detector para coletar padrões de difração sem qualquer calibração complexa ou manipulação da amostra."
Mais informações: Nick A. von Jeinsen et al, 2D Helium Atom Diffraction from a Microscopic Spot, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.236202 Informações do diário: Relatórios Científicos , Cartas de revisão física
