Campos electromagnéticos de superficie mapeados en 3D a nanoescala

El primer mapa tridimensional del campo electromagnético que "se adhiere" a la superficie de un cubo de menos de 200 nm de diámetro arroja una nueva luz sobre cómo los materiales disipan el calor a nanoescala. Las imágenes, obtenidas por investigadores en Francia y Austria, revelan la presencia de excitaciones de tipo fotón infrarrojo conocidas como polaritones de fonones superficiales cerca de la superficie del cubo, un fenómeno que podría aprovecharse para alejar el calor residual de los componentes nanoelectrónicos y enfriarlos.

Los fonones son excitaciones vibratorias colectivas similares a partículas (o vibraciones atómicas) que ocurren en sólidos iónicos. Dan lugar a campos eléctricos oscilantes, que se acoplan con fotones en la superficie del sólido para crear polaritones de fonones superficiales (SPhP). Estos híbridos de excitaciones vibracionales y fotónicas se encuentran solo en la superficie de un objeto y, por lo tanto, son típicamente de poca importancia en materiales a granel. Sin embargo, su influencia aumenta drásticamente a medida que los objetos se encogen y aumenta su relación superficie-volumen.

Los SPhP también concentran energía electromagnética en el rango de longitud de onda del infrarrojo medio (3 a 8 mm) hasta el infrarrojo lejano (15 a 1000 mm). Esta propiedad podría hacer posible su uso en aplicaciones como la espectroscopia mejorada (Raman) de moléculas.

Visualizando el campo cercano

Todas estas aplicaciones dependen del campo electromagnético nanoestructurado que existe en las superficies de metamateriales o nanopartículas. Sin embargo, la visualización de este llamado campo cercano ha resultado difícil. Las técnicas pioneras como la espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS), que funciona midiendo la energía que los electrones pierden cuando se encuentran con estos campos superficiales, solo pueden producir contornos 2D. Otras técnicas utilizan sofisticados algoritmos de reconstrucción en combinación con EELS para generar imágenes en 3D del campo, pero antes estaban restringidas a longitudes de onda visibles.

En el nuevo trabajo Mathieu Kociak y colegas del CNRS / Université Paris-Saclay, junto con Gerald Kothleitner de la Universidad de Tecnología de Graz, combinaron modelos informáticos con una técnica llamada tomografía de imágenes espectrales EELS para obtener imágenes del campo 3D que rodea un nanocristal de óxido de magnesio (MgO). Para hacer esto, utilizaron un microscopio electrónico de túnel de barrido (STEM) de nueva generación desarrollado para espectromicroscopía de electrones y fotones que puede sondear las propiedades ópticas de la materia con energía ultra alta y resolución espacial. El instrumento (un NION Hermes 200 modificado llamado “Chromatem”) filtra un haz de electrones de 60 keV con un monocromador para producir un haz con una resolución de energía de entre 7 y 10 meV.

Técnica de inclinación

Al escanear este haz de electrones a través de su muestra, Kociak, Kothleitner y sus colegas recolectaron imágenes anulares de campo oscuro de alto ángulo que revelaron la forma del nanocubo de MgO. Luego inclinaron la muestra en varios ángulos, tomaron imágenes del cubo en diferentes orientaciones y registraron un espectro EELS en cada posición de escaneo. Finalmente, utilizaron técnicas de reconstrucción de imágenes para generar imágenes en 3D del campo que rodea al cristal.

Los polaritones de los fonones de superficie aumentan la transferencia de calor

El nuevo enfoque, que describen en Ciencia:, eventualmente permitirá apuntar a puntos específicos en el cristal y medir la transferencia de calor localizada entre ellos. Dado que muchos nanoobjetos absorben luz infrarroja durante la transferencia de calor, la técnica también debería proporcionar imágenes en 3D de dichas transferencias. "Esta es una vía de exploración para optimizar la disipación de calor en los componentes cada vez más pequeños empleados en nanoelectrónica", dicen los investigadores.

El equipo ahora planea aplicar su técnica para estudiar nanoestructuras más complicadas. Sin embargo, Kociak dice Mundo de la física que "algunos aspectos teóricos aún deben entenderse mejor" antes de que esto sea posible.

Fuente: https://physicsworld.com/a/surface-electromagnetic-fields-mapped-in-3d-at-the-nanoscale/