میدان های الکترومغناطیسی سطحی به صورت سه بعدی در مقیاس نانو نقشه برداری شدند

اولین نقشه سه بعدی میدان الکترومغناطیسی که به سطح یک مکعب کمتر از 200 نانومتر می‌چسبد، نور تازه‌ای را به چگونگی پراکنده شدن گرما در مقیاس نانو توسط مواد می‌فرستد. این تصاویر که توسط محققان فرانسه و اتریش به دست آمده است، وجود برانگیختگی‌های فوتون‌مانند مادون‌قرمز معروف به پلاریتون‌های فونون سطحی را در نزدیکی سطح مکعب نشان می‌دهد - پدیده‌ای که ممکن است برای انتقال گرمای هدر رفته از اجزای نانوالکترونیک و خنک کردن آن‌ها مورد سوء استفاده قرار گیرد.

فونون ها برانگیختگی های ارتعاشی جمعی ذره مانند (یا ارتعاشات اتمی) هستند که در جامدات یونی رخ می دهند. آنها میدان‌های الکتریکی نوسانی ایجاد می‌کنند که با فوتون‌های سطح جامد جفت می‌شوند تا پلاریتون‌های فونون سطحی (SPhPs) ایجاد کنند. این هیبریدهای برانگیختگی ارتعاشی و فوتونیک فقط در سطح یک جسم یافت می شوند و بنابراین معمولاً در مواد حجیم اهمیت کمی دارند. با این حال، با کوچک شدن اجسام و افزایش نسبت سطح به حجم آنها، تأثیر آنها به طور چشمگیری افزایش می یابد.

SPhP ها همچنین انرژی الکترومغناطیسی را در محدوده مادون قرمز میانی (3 تا 8 میلی متر) تا محدوده طول موج مادون قرمز دور (15 تا 1000 میلی متر) متمرکز می کنند. این ویژگی ممکن است استفاده از آنها را در کاربردهایی مانند طیف سنجی (رامان) تقویت شده مولکول ها ممکن کند.

تجسم میدان نزدیک

همه این کاربردها به میدان الکترومغناطیسی نانوساختاری که در سطوح فرامواد یا نانوذرات وجود دارد بستگی دارد. با این حال، تجسم این به اصطلاح میدان نزدیک دشوار بوده است. تکنیک‌های پیشگامی مانند طیف‌سنجی اتلاف انرژی الکترون (EELS)، که با اندازه‌گیری انرژی از دست رفته الکترون‌ها هنگام مواجهه با این میدان‌های سطحی کار می‌کند، تنها می‌تواند خطوط دوبعدی تولید کند. تکنیک‌های دیگر از الگوریتم‌های بازسازی پیچیده در ترکیب با EELS برای تولید تصاویر سه‌بعدی از میدان استفاده می‌کنند، اما اینها قبلاً به طول موج‌های مرئی محدود می‌شدند.

در کار جدید، متیو کوسیاک و همکاران از CNRS/Université Paris-Saclay، همراه با جرالد کوتلایتنر از دانشگاه فناوری گراتس، مدل‌های کامپیوتری را با تکنیکی به نام تصویربرداری طیفی EELS توموگرافی ترکیب کرد تا از میدان سه‌بعدی اطراف نانوبلور اکسید منیزیم (MgO) تصویربرداری کند. برای انجام این کار، آنها از نسل جدید میکروسکوپ الکترونی روبشی-تونل زنی (STEM) که برای طیف‌سنجی الکترونی و فوتونی توسعه یافته است استفاده کردند که می‌تواند خواص نوری ماده را با انرژی فوق‌العاده و وضوح فضایی بررسی کند. این ابزار (یک NION Hermes 3 اصلاح شده به نام "کروماتم") یک پرتو الکترونی 200 کیلو ولتی را با یک تکروماتور فیلتر می کند تا پرتویی با قدرت تفکیک انرژی بین 60 تا 7 مگا ولت تولید کند.

تکنیک کج کردن

Kociak، Kothleitner و همکاران با اسکن این پرتو الکترونی در سراسر نمونه خود، تصاویر میدان تاریک حلقوی با زاویه بالا را جمع آوری کردند که شکل نانومکعب MgO را نشان می داد. سپس نمونه را در زوایای مختلف کج کردند، از مکعب در جهت‌های مختلف تصویربرداری کردند و طیف EELS را در هر موقعیت اسکن ثبت کردند. در نهایت، آنها از تکنیک های بازسازی تصویر برای تولید تصاویر سه بعدی از میدان اطراف کریستال استفاده کردند.

پلاریتون های فونون سطحی انتقال حرارت را افزایش می دهند

رویکرد جدیدی که آنها در آن توضیح می دهند علم، در نهایت امکان هدف قرار دادن نقاط خاصی روی کریستال و اندازه گیری انتقال حرارت موضعی بین آنها را ممکن می کند. از آنجایی که بسیاری از اشیاء نانو نور مادون قرمز را در حین انتقال حرارت جذب می کنند، این تکنیک باید تصاویر سه بعدی از چنین انتقال هایی را نیز ارائه دهد. محققان می‌گویند: «این یکی از راه‌های اکتشاف برای بهینه‌سازی اتلاف گرما در اجزای کوچک‌تر به‌کار رفته در نانوالکترونیک است».

این تیم اکنون قصد دارد از تکنیک خود برای مطالعه نانوساختارهای پیچیده تر استفاده کند. با این حال، کوسیاک می گوید دنیای فیزیک که «برخی جنبه‌های نظری هنوز باید بهتر درک شوند» قبل از اینکه این امکان پذیر شود.

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