สนามแม่เหล็กไฟฟ้าพื้นผิวที่ทำแผนที่ใน 3 มิติที่ระดับนาโน

แผนที่สามมิติแรกของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ “เกาะติด” กับพื้นผิวของลูกบาศก์ที่มีความยาวน้อยกว่า 200 นาโนเมตร เผยให้เห็นว่าวัสดุกระจายความร้อนในระดับนาโน ภาพที่ได้รับจากนักวิจัยในฝรั่งเศสและออสเตรีย เผยให้เห็นการมีอยู่ของการกระตุ้นด้วยโฟตอนอินฟราเรดที่รู้จักกันในชื่อโฟตอนโพลาริทันพื้นผิวใกล้พื้นผิวของลูกบาศก์ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่อาจนำไปใช้ในการถ่ายทอดความร้อนเหลือทิ้งออกจากส่วนประกอบนาโนอิเล็กทรอนิกส์ และทำให้เย็นลง

โฟนอนเป็นแรงกระตุ้นแบบรวมกลุ่มแบบสั่นสะเทือน (หรือการสั่นสะเทือนของอะตอม) ที่เกิดขึ้นในของแข็งไอออนิก พวกมันก่อให้เกิดสนามไฟฟ้าที่สั่นซึ่งรวมกับโฟตอนที่พื้นผิวของของแข็งเพื่อสร้างโพลาริทันโฟตอนพื้นผิว (SPhPs) ลูกผสมของแรงกระตุ้นแบบสั่นสะเทือนและแบบโฟโตนิกเหล่านี้พบได้บนพื้นผิวของวัตถุเท่านั้น และโดยทั่วไปแล้วจึงมีความสำคัญเพียงเล็กน้อยในวัสดุจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม อิทธิพลของพวกมันเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อวัตถุหดตัวและอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรเพิ่มขึ้น

SPhP ยังรวมพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงคลื่นอินฟราเรดกลาง (3 ถึง 8 มม.) จนถึงช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรดไกล (15 ถึง 1000 มม.) คุณสมบัตินี้อาจทำให้สามารถใช้งานได้ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น Enhanced (Raman) spectroscopy ของโมเลกุล

การแสดงภาพสนามใกล้

การใช้งานดังกล่าวทั้งหมดขึ้นอยู่กับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีโครงสร้างนาโนซึ่งมีอยู่ที่พื้นผิวของ metamaterials หรืออนุภาคนาโน อย่างไรก็ตาม การแสดงภาพสิ่งที่เรียกว่าสนามใกล้นี้พิสูจน์ได้ยาก เทคนิคการบุกเบิก เช่น สเปกโทรสโกปีการสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอน (EELS) ซึ่งทำงานโดยการวัดพลังงานที่อิเล็กตรอนสูญเสียไปเมื่อพบกับสนามผิวเหล่านี้ สามารถสร้างโครงร่าง 2 มิติได้เท่านั้น เทคนิคอื่นๆ ใช้อัลกอริธึมการสร้างใหม่ที่ซับซ้อนร่วมกับ EELS เพื่อสร้างภาพ 3 มิติของสนาม แต่ก่อนหน้านี้สิ่งเหล่านี้จำกัดความยาวคลื่นที่มองเห็นได้

ในงานใหม่นี้ มาติเยอ โคเซียก และคณะจาก CNRS/Université Paris-Saclay พร้อมด้วย เจอรัลด์ คอธไลต์เนอร์ ของ Graz University of Technology ได้รวมโมเดลคอมพิวเตอร์เข้ากับเทคนิคที่เรียกว่าการถ่ายภาพด้วยสเปกตรัม EELS แบบเอกซเรย์เพื่อถ่ายภาพสนาม 3 มิติที่ล้อมรอบนาโนคริสตัลของแมกนีเซียมออกไซด์ (MgO) ในการทำเช่นนี้ พวกเขาใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบอุโมงค์สแกน (STEM) รุ่นใหม่ที่พัฒนาขึ้นสำหรับอิเล็กตรอนและโฟตอนสเปกโตรมิกรอสโคปีที่สามารถตรวจสอบคุณสมบัติทางแสงของสสารด้วยพลังงานสูงและความละเอียดเชิงพื้นที่ เครื่องมือ (NION Hermes 200 ที่ได้รับการดัดแปลงเรียกว่า "Chromatem") กรองลำแสงอิเล็กตรอน 60-keV ด้วยโมโนโครเมเตอร์เพื่อสร้างลำแสงที่มีความละเอียดพลังงานระหว่าง 7 ถึง 10 meV

เทคนิคการเอียง

โดยการสแกนลำแสงอิเล็กตรอนนี้ผ่านตัวอย่างของพวกเขา Kociak, Kothleitner และเพื่อนร่วมงานได้รวบรวมภาพสนามมืดที่มีมุมสูงซึ่งเผยให้เห็นรูปร่างของ MgO nanocube จากนั้นพวกเขาเอียงตัวอย่างในมุมต่างๆ ถ่ายภาพลูกบาศก์ในทิศทางต่างๆ และบันทึกสเปกตรัม EELS ที่ตำแหน่งสแกนแต่ละตำแหน่ง สุดท้าย พวกเขาใช้เทคนิคการสร้างภาพใหม่เพื่อสร้างภาพ 3 มิติของสนามที่รายล้อมคริสตัล

โพลาริทันพื้นผิวช่วยเพิ่มการถ่ายเทความร้อน

วิธีการใหม่ที่พวกเขาอธิบายใน วิทยาศาสตร์ในที่สุดจะทำให้สามารถกำหนดเป้าหมายจุดเฉพาะบนคริสตัลและวัดการถ่ายเทความร้อนเฉพาะที่ระหว่างจุดเหล่านี้ได้ เนื่องจากวัตถุนาโนจำนวนมากดูดซับแสงอินฟราเรดในระหว่างการถ่ายเทความร้อน เทคนิคนี้จึงควรให้ภาพ 3 มิติของการถ่ายโอนดังกล่าวด้วย นักวิจัยกล่าวว่า "นี่เป็นหนทางหนึ่งในการสำรวจเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายความร้อนในส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ที่ใช้ในนาโนอิเล็กทรอนิกส์"

ตอนนี้ทีมงานวางแผนที่จะใช้เทคนิคนี้เพื่อศึกษาโครงสร้างนาโนที่ซับซ้อนมากขึ้น อย่างไรก็ตาม Kociak บอก โลกฟิสิกส์ ว่า “บางแง่มุมทางทฤษฎียังต้องเข้าใจมากขึ้น” ก่อนจึงจะเป็นไปได้

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