أول خريطة ثلاثية الأبعاد للمجال الكهرومغناطيسي "تلتصق" بسطح مكعب يقل عرضه عن 200 نانومتر، تلقي ضوءًا جديدًا على كيفية تبديد المواد للحرارة عند المقياس النانوي. تكشف الصور، التي حصل عليها باحثون في فرنسا والنمسا، عن وجود إثارات تشبه فوتونات الأشعة تحت الحمراء تُعرف باسم بولاريتونات الفونون السطحي بالقرب من سطح المكعب - وهي ظاهرة يمكن استغلالها لنقل الحرارة المهدرة بعيدًا عن المكونات الإلكترونية النانوية ومن ثم تبريدها.
الفونونات عبارة عن إثارات اهتزازية جماعية تشبه الجسيمات (أو اهتزازات ذرية) تحدث في المواد الصلبة الأيونية. إنها تؤدي إلى ظهور مجالات كهربائية متذبذبة، والتي تقترن بالفوتونات الموجودة على سطح المادة الصلبة لتكوين بولاريتونات فونون سطحية (SPhPs). توجد هذه الإثارة الاهتزازية والضوئية الهجينة فقط على سطح الجسم، وبالتالي فهي ذات أهمية قليلة في المواد السائبة. ومع ذلك، فإن تأثيرها يزداد بشكل كبير مع تقلص الأجسام وزيادة نسبة سطحها إلى حجمها.
تقوم SPhPs أيضًا بتركيز الطاقة الكهرومغناطيسية في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (3 إلى 8 مم) حتى نطاق الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء البعيدة (15 إلى 1000 مم). قد تجعل هذه الخاصية من الممكن استخدامها في تطبيقات مثل التحليل الطيفي المعزز (رامان) للجزيئات.
تصور المجال القريب
تعتمد جميع هذه التطبيقات على المجال الكهرومغناطيسي ذي البنية النانوية الموجود على أسطح المواد الخارقة أو الجسيمات النانوية. ومع ذلك، فقد ثبت أن تصور هذا ما يسمى بالمجال القريب أمر صعب. التقنيات الرائدة مثل التحليل الطيفي لفقد طاقة الإلكترون (EELS)، والذي يعمل عن طريق قياس الطاقة التي تفقدها الإلكترونات عندما تواجه هذه المجالات السطحية، يمكنها فقط إنتاج مخططات ثنائية الأبعاد. تستخدم تقنيات أخرى خوارزميات إعادة بناء معقدة مع EELS لإنشاء صور ثلاثية الأبعاد للحقل، لكن هذه الصور كانت مقتصرة في السابق على الأطوال الموجية المرئية.
في العمل الجديد ، ماتيو كوتشياك وزملاؤه من المركز الوطني للبحث العلمي/جامعة باريس ساكلاي، مع جيرالد كوثليتنر من جامعة غراتس للتكنولوجيا، دمجت نماذج الكمبيوتر مع تقنية تسمى التصوير الطيفي المقطعي EELS لتصوير المجال ثلاثي الأبعاد المحيط ببلورة نانوية من أكسيد المغنيسيوم (MgO). وللقيام بذلك، استخدموا جيلًا جديدًا من المجهر الإلكتروني الماسح النفقي (STEM) الذي تم تطويره للتحليل الطيفي للإلكترون والفوتون والذي يمكنه استكشاف الخصائص البصرية للمادة بطاقة فائقة الدقة ودقة مكانية. تقوم الأداة (نسخة معدلة من NION Hermes 3 تسمى "Chromatem") بتصفية شعاع إلكترون بقدرة 200 كيلو فولت باستخدام جهاز أحادي اللون لإنتاج شعاع ذو دقة طاقة تتراوح بين 60 إلى 7 ميجا فولت.
تقنية الإمالة
من خلال مسح شعاع الإلكترون عبر العينة، جمع كوتشياك وكوثليتنر وزملاؤه صورًا حلقية داكنة عالية الزاوية كشفت عن شكل مكعب أكسيد المغنيسيوم النانوي. ثم قاموا بإمالة العينة بزوايا مختلفة، وقاموا بتصوير المكعب في اتجاهات مختلفة، وسجلوا طيف EELS في كل موضع مسح. وأخيرًا، استخدموا تقنيات إعادة بناء الصور لإنشاء صور ثلاثية الأبعاد للمجال المحيط بالبلورة.
تعمل بولاريتونات الفونون السطحية على تعزيز نقل الحرارة
النهج الجديد الذي يصفونه فيه علوم، سيجعل من الممكن في النهاية استهداف نقاط محددة على البلورة وقياس انتقال الحرارة الموضعي بينها. وبما أن العديد من الأجسام النانوية تمتص ضوء الأشعة تحت الحمراء أثناء نقل الحرارة، فيجب أن توفر هذه التقنية أيضًا صورًا ثلاثية الأبعاد لعمليات النقل هذه. يقول الباحثون: "هذا هو أحد سبل الاستكشاف لتحسين تبديد الحرارة في المكونات الصغيرة بشكل متزايد المستخدمة في الإلكترونيات النانوية".
ويخطط الفريق الآن لتطبيق تقنيته لدراسة الهياكل النانوية الأكثر تعقيدًا. ومع ذلك، يقول كوتشياك عالم الفيزياء أن "بعض الجوانب النظرية لا تزال بحاجة إلى فهم أفضل" قبل أن يصبح ذلك ممكنًا.
المصدر: https://physicsworld.com/a/surface-electromagnetic-fields-mapped-in-3d-at-the-nanoscale/
