Campi elettromagnetici di superficie mappati in 3D su scala nanometrica

La prima mappa tridimensionale del campo elettromagnetico che "aderisce" alla superficie di un cubo di diametro inferiore a 200 nm getta una nuova luce su come i materiali dissipano il calore su scala nanometrica. Le immagini, ottenute da ricercatori in Francia e Austria, rivelano la presenza di eccitazioni simili a fotoni infrarossi note come polaritoni fononici di superficie vicino alla superficie del cubo, un fenomeno che potrebbe essere sfruttato per convogliare il calore di scarto lontano dai componenti nanoelettronici e raffreddarli.

I fononi sono eccitazioni vibrazionali collettive simili a particelle (o vibrazioni atomiche) che si verificano nei solidi ionici. Danno origine a campi elettrici oscillanti, che si accoppiano con i fotoni sulla superficie del solido per creare polaritoni fononici di superficie (SPhP). Questi ibridi di eccitazioni vibrazionali e fotoniche si trovano solo sulla superficie di un oggetto e sono quindi tipicamente di poca importanza nei materiali sfusi. Tuttavia, la loro influenza aumenta notevolmente quando gli oggetti si restringono e il loro rapporto superficie-volume aumenta.

Gli SPhP concentrano anche l'energia elettromagnetica nell'infrarosso medio (da 3 a 8 mm) fino alla gamma di lunghezze d'onda dell'infrarosso lontano (da 15 a 1000 mm). Questa proprietà potrebbe rendere possibile il loro utilizzo in applicazioni come la spettroscopia avanzata (Raman) di molecole.

Visualizzazione del campo vicino

Tutte queste applicazioni dipendono dal campo elettromagnetico nanostrutturato che esiste sulle superfici dei metamateriali o delle nanoparticelle. Tuttavia, la visualizzazione di questo cosiddetto campo vicino si è rivelata difficile. Tecniche pionieristiche come la spettroscopia di perdita di energia degli elettroni (EELS), che funziona misurando l'energia che gli elettroni perdono quando incontrano questi campi superficiali, possono solo produrre contorni 2D. Altre tecniche utilizzano sofisticati algoritmi di ricostruzione in combinazione con EELS per generare immagini 3D del campo, ma in precedenza erano limitate alle lunghezze d'onda visibili.

Nella nuova opera Mathieu Kociak e colleghi del CNRS / Université Paris-Saclay, insieme a Gerald Kothleitner della Graz University of Technology, ha combinato modelli di computer con una tecnica chiamata tomografica EELS spettrale-imaging per visualizzare il campo 3D che circonda un nanocristallo di ossido di magnesio (MgO). Per fare questo, hanno utilizzato un microscopio elettronico a tunneling di nuova generazione (STEM) sviluppato per la spettromicroscopia elettronica e fotonica in grado di sondare le proprietà ottiche della materia con un'energia ultraelevata e una risoluzione spaziale. Lo strumento (un NION Hermes 200 modificato chiamato "Chromatem") filtra un fascio di elettroni da 60 keV con un monocromatore per produrre un fascio con una risoluzione energetica compresa tra 7 e 10 meV.

Tecnica di ribaltamento

Scansionando questo fascio di elettroni attraverso il loro campione, Kociak, Kothleitner e colleghi hanno raccolto immagini di campo scuro anulare ad alto angolo che hanno rivelato la forma del nanocubo MgO. Hanno quindi inclinato il campione a varie angolazioni, hanno ripreso il cubo con orientamenti diversi e hanno registrato uno spettro EELS in ciascuna posizione di scansione. Infine, hanno utilizzato tecniche di ricostruzione delle immagini per generare immagini 3D del campo che circonda il cristallo.

I polaritoni fononici di superficie aumentano il trasferimento di calore

Il nuovo approccio, che descrivono in Scienze, alla fine consentirà di mirare a punti specifici del cristallo e di misurare il trasferimento di calore localizzato tra di loro. Poiché molti nano-oggetti assorbono la luce infrarossa durante il trasferimento di calore, la tecnica dovrebbe fornire anche immagini 3D di tali trasferimenti. "Questa è una strada di esplorazione per ottimizzare la dissipazione del calore nei componenti sempre più piccoli impiegati nella nanoelettronica", dicono i ricercatori.

Il team ora prevede di applicare la sua tecnica per studiare nanostrutture più complicate. Tuttavia, dice Kociak Mondo della fisica che “alcuni aspetti teorici devono ancora essere compresi meglio” prima che ciò sia possibile.

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