O potencial de uma forma ultrarrápida de microscopia eletrônica de transmissão para medir ondas sonoras em nanoestruturas foi demonstrado por três físicos da RIKEN. Isso poderia ajudar a realizar um método de imagem de alta resolução que usa ondas sonoras de ultra-alta frequência para criar imagens de estruturas de tamanho nanométrico.



O ultrassom é usado rotineiramente em clínicas e hospitais para obter imagens de órgãos internos e bebês no útero. As ondas sonoras usadas geralmente têm alguns milímetros de comprimento de onda e, portanto, podem gerar imagens de estruturas até esse nível.

Embora essa resolução seja adequada para imagens médicas, os físicos gostariam de usar ondas sonoras para criar imagens de estruturas em materiais com alguns nanômetros de tamanho.

“Se pudermos usar ondas sonoras com comprimentos de onda de cerca de 100 nanômetros ou mais, poderemos usá-las para inspecionar materiais, como encontrar defeitos”, explica Asuka Nakamura do Centro RIKEN para Ciência da Matéria Emergente (CEMS). "Mas a sensibilidade a pequenos defeitos depende realmente do comprimento de onda."

Isto requer a geração e detecção de ondas sonoras com comprimentos de onda muito menores (e, portanto, frequências mais altas). Criar essas ondas sonoras de alta frequência é relativamente fácil – pulsos de laser ultracurtos têm sido usados ​​para gerá-las em metais e semicondutores há várias décadas. Mas detectá-los é muito mais desafiador, pois requer o desenvolvimento de detectores capazes de atingir uma resolução de nanômetros no espaço e picossegundos no tempo.

Agora, Nakamura, juntamente com os colegas do CEM Takahiro Shimojima e Kyoko Ishizaka, demonstraram o potencial de um tipo especial de microscópio eletrônico para gerar imagens de ondas sonoras de frequência ultra-alta. A pesquisa é publicada na revista Nano Letters .

Especificamente, eles usaram um microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápida (UTEM) para detectar ondas sonoras geradas por um buraco de 200 nanômetros no centro de uma placa de silício ultrafina. Um UTEM usa dois feixes de laser com um ligeiro atraso entre eles (veja a figura acima). Um feixe ilumina a amostra, enquanto o outro gera um pulso ultracurto de elétrons no microscópio. Esta configuração permite que prazos muito curtos sejam resolvidos.

Quando o trio simulou as ondas teoricamente e comparou as simulações com imagens obtidas experimentalmente, encontraram uma boa concordância.

A qualidade das imagens excedeu as expectativas da equipe, permitindo-lhes realizar a análise da transformada de Fourier – uma técnica analítica matemática comumente usada – nas imagens. “Antes de realizar esses experimentos, não pretendíamos caracterizar as ondas sonoras”, diz Nakamura. "Mas depois de coletar os dados, percebemos que eles eram muito bonitos e podíamos aplicar a transformação de Fourier. Isso foi surpreendente para mim."

Os pesquisadores pretendem agora investigar a dinâmica estrutural e magnética ultrarrápida em sólidos induzidos por tais ondas sonoras nanométricas usando UTEM.

Mais informações: Asuka Nakamura et al, Caracterizando uma Onda Acústica Submicrométrica Gigahertz Opticamente Induzida em uma Placa Fina de Silício, Nano Letras (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.2c03938
Informações do diário: Nanoletras

Fornecido por RIKEN