Câmpurile electromagnetice de suprafață cartografiate în 3D la scară nanometrică

Prima hartă tridimensională a câmpului electromagnetic care „se agăță” de suprafața unui cub cu o lungime mai mică de 200 nm aruncă o lumină nouă asupra modului în care materialele disipă căldura la scară nanometrică. Imaginile, obținute de cercetători din Franța și Austria, dezvăluie prezența unor excitații asemănătoare fotonilor infraroșii, cunoscute sub numele de polaritoni de fononi de suprafață, lângă suprafața cubului - un fenomen care ar putea fi exploatat pentru a transmite căldura reziduală departe de componentele nanoelectronice și astfel să le răcească.

Fononii sunt excitații vibraționale colective asemănătoare particulelor (sau vibrații atomice) care apar în solidele ionice. Ele dau naștere la câmpuri electrice oscilante, care se cuplează cu fotonii de la suprafața solidului pentru a crea polaritoni de fononi de suprafață (SPhP). Acești hibrizi de excitații vibraționale și fotonice se găsesc numai pe suprafața unui obiect și, prin urmare, au o importanță redusă în materialele în vrac. Cu toate acestea, influența lor crește dramatic pe măsură ce obiectele se micșorează și raportul suprafață-volum crește.

SPhP-urile concentrează, de asemenea, energia electromagnetică în mediul infraroșu (3 până la 8 mm) până la intervalul de lungimi de undă în infraroșu îndepărtat (15 până la 1000 mm). Această proprietate ar putea face posibilă utilizarea lor în aplicații precum spectroscopia îmbunătățită (Raman) a moleculelor.

Vizualizarea câmpului apropiat

Toate aceste aplicații depind de câmpul electromagnetic nanostructurat care există la suprafețele metamaterialelor sau nanoparticulelor. Vizualizarea acestui așa-numit câmp apropiat s-a dovedit totuși dificilă. Tehnicile de pionierat, cum ar fi spectroscopia cu pierderi de energie a electronilor (EELS), care funcționează prin măsurarea energiei pierdute de electroni atunci când întâlnesc aceste câmpuri de suprafață, pot produce doar contururi 2D. Alte tehnici folosesc algoritmi de reconstrucție sofisticați în combinație cu EELS pentru a genera imagini 3D ale câmpului, dar acestea erau anterior restricționate la lungimi de undă vizibile.

În noua lucrare, Mathieu Kociak și colegii de la CNRS/Université Paris-Saclay, împreună cu Gerald Kothleitner de la Universitatea de Tehnologie din Graz, a combinat modele computerizate cu o tehnică numită imagistica spectrală tomografică EELS pentru a vizualiza câmpul 3D din jurul unui nanocristal de oxid de magneziu (MgO). Pentru a face acest lucru, au folosit un microscop electronic de scanare-tunel de nouă generație (STEM) dezvoltat pentru spectromicroscopie de electroni și fotoni, care poate sonda proprietățile optice ale materiei cu energie ultra-înaltă și rezoluție spațială. Instrumentul (un NION Hermes 200 modificat numit „Chromatem”) filtrează un fascicul de electroni de 60 keV cu un monocromator pentru a produce un fascicul cu o rezoluție energetică cuprinsă între 7 și 10 meV.

Tehnica de înclinare

Scanând acest fascicul de electroni pe eșantionul lor, Kociak, Kothleitner și colegii săi au colectat imagini de câmp întunecat inelar cu unghi înalt care au dezvăluit forma nanocubului de MgO. Apoi au înclinat proba în diferite unghiuri, au fotografiat cubul în orientări diferite și au înregistrat un spectru EELS la fiecare poziție de scanare. În cele din urmă, au folosit tehnici de reconstrucție a imaginii pentru a genera imagini 3D ale câmpului din jurul cristalului.

Polaritonii de suprafață sporesc transferul de căldură

Noua abordare, pe care o descriu în Ştiinţă, va face în cele din urmă posibilă vizarea unor puncte specifice de pe cristal și măsurarea transferului de căldură localizat între ele. Deoarece multe nano-obiecte absorb lumina infraroșie în timpul transferului de căldură, tehnica ar trebui să ofere și imagini 3D ale unor astfel de transferuri. „Acesta este o cale de explorare pentru optimizarea disipării căldurii în componentele din ce în ce mai mici folosite în nanoelectronică”, spun cercetătorii.

Echipa intenționează acum să aplice tehnica sa pentru a studia nanostructuri mai complicate. Cu toate acestea, spune Kociak Lumea fizicii că „unele aspecte teoretice trebuie încă mai bine înțelese” înainte ca acest lucru să fie posibil.

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