המפה התלת-ממדית הראשונה של השדה האלקטרומגנטי ש"נאחזת" על פני השטח של קובייה שרוחבה פחות מ-200 ננומטר מטילה אור חדש על האופן שבו חומרים מפזרים חום בקנה מידה ננומטרי. התמונות, שהושגו על ידי חוקרים בצרפת ובאוסטריה, חושפות את נוכחותם של עירורים דמויי פוטון אינפרא אדום הידועים כקוטבי פונון פני השטח ליד פני הקובייה - תופעה שעלולה להיות מנוצלת כדי להעביר חום פסולת הרחק ממרכיבים ננו-אלקטרוניים וכך לקרר אותם.
פונונים הם תנודות קולקטיביות דמויות חלקיקים (או תנודות אטומיות) המתרחשות במוצקים יוניים. הם יוצרים שדות חשמליים מתנודדים, המתחברים עם פוטונים על פני השטח של המוצק כדי ליצור פולריטונים פונון פני השטח (SPhPs). הכלאות אלה של עירור תנודות ופוטוני נמצאות רק על פני השטח של עצם ולכן בדרך כלל אין להם חשיבות רבה בחומרים בתפזורת. עם זאת, השפעתם גדלה באופן דרמטי ככל שאובייקטים מתכווצים ויחס פני השטח לנפח שלהם גדל.
SPhPs גם מרכזים אנרגיה אלקטרומגנטית באינפרא אדום האמצעי (3 עד 8 מ"מ) עד לטווח אורכי הגל האינפרא אדום הרחוק (15 עד 1000 מ"מ). מאפיין זה עשוי לאפשר להשתמש בהם ביישומים כגון ספקטרוסקופיה מוגברת (ראמאן) של מולקולות.
הדמיית השדה הקרוב
כל היישומים הללו תלויים בשדה האלקטרומגנטי הננו-מגנטי הקיים על פני השטח של מטא-חומרים או ננו-חלקיקים. עם זאת, הוכחה חזותית של מה שנקרא שדה קרוב זה קשה. טכניקות חלוציות כמו ספקטרוסקופיה של אובדן אנרגית אלקטרונים (EELS), הפועלת על ידי מדידת האנרגיה שהאלקטרונים מאבדים כאשר הם נתקלים בשדות פני השטח הללו, יכולות לייצר קווי מתאר דו-ממדיים בלבד. טכניקות אחרות משתמשות באלגוריתמי שחזור מתוחכמים בשילוב עם EELS כדי ליצור תמונות תלת מימדיות של השדה, אך אלה הוגבלו בעבר לאורכי גל גלויים.
בעבודה החדשה, מתיאו קוצ'אק ועמיתים מה-CNRS/Université Paris-Saclay, יחד עם ג'רלד קוטלייטנר מאוניברסיטת גראץ לטכנולוגיה, שילבו מודלים ממוחשבים עם טכניקה שנקראת הדמיה ספקטרלית טומוגרפית EELS כדי לדמיין את השדה התלת-ממדי המקיף ננו-גביש של תחמוצת מגנזיום (MgO). לשם כך, הם השתמשו במיקרוסקופ אלקטרוני מנהור סריקה (STEM) מהדור החדש שפותח עבור ספקטרומיקרוסקופיה של אלקטרונים ופוטונים שיכול לחקור את התכונות האופטיות של החומר באנרגיה גבוהה במיוחד וברזולוציה מרחבית. המכשיר (NION Hermes 3 שונה שנקרא "כרומטם") מסנן קרן אלקטרונים של 200 keV עם מונוכרומטור כדי לייצר קרן ברזולוציית אנרגיה של בין 60 ל-7 meV.
טכניקת הטיה
על ידי סריקת קרן אלקטרונים זו על פני הדגימה שלהם, Kociak, Kothleitner ועמיתיו אספו תמונות של שדה כהה טבעתי בזווית גבוהה שחשפו את צורת הננו-קוביית MgO. לאחר מכן הם הטו את המדגם בזוויות שונות, צילמו את הקובייה בכיוונים שונים והקליטו ספקטרום EELS בכל עמדת סריקה. לבסוף, הם השתמשו בטכניקות שחזור תמונה כדי ליצור תמונות תלת-ממדיות של השדה המקיף את הגביש.
פולריטוני פונון פני השטח מגבירים את העברת החום
הגישה החדשה, שבה הם מתארים מדע, בסופו של דבר יאפשר למקד נקודות ספציפיות על גביש ולמדוד העברת חום מקומית ביניהן. מכיוון שאובייקטים ננו רבים סופגים אור אינפרא אדום במהלך העברת חום, הטכניקה צריכה לספק גם תמונות תלת מימד של העברות כאלה. "זוהי דרך אחת של מחקר למיטוב פיזור החום ברכיבים הקטנים יותר ויותר המשמשים בננו-אלקטרוניקה", אומרים החוקרים.
הצוות מתכנן כעת ליישם את הטכניקה שלו כדי לחקור ננו-מבנים מסובכים יותר. עם זאת, מספר קוצ'אק עולם הפיזיקה ש"כמה היבטים תיאורטיים עדיין צריכים להיות מובנים טוב יותר" לפני שזה אפשרי.
מקור: https://physicsworld.com/a/surface-electromagnetic-fields-mapped-in-3d-at-the-nanoscale/
