Stablet grafenlag fungerer som et spejl for elektronstråler

Stablet lag af grafen kan fungere som et spejl for elektronstråler. Fysikere Daniël Geelen og kolleger opdagede dette ved hjælp af en ny type elektronmikroskop. I en artikel i Physical Review Letters, de beskriver deres resultater, hvilket kunne føre til udviklingen af ​​optik til elektronstråler i stedet for lys.

Geelen og kolleger kaldte den nye teknik "eV-TEM." Det er en ny variant af elektronmikroskopet, som retter elektronstråler mod en prøve for at kunne forestille sig den.

Elektroner med lav energi

Ifølge kvantemekanik, elektroner er bølger, ligesom synligt lys er, men bølgelængden er meget kortere. På grund af dette, meget mindre detaljer kan afbildes i sammenligning med et lysmikroskop. Imidlertid, elektronangrebene skader generelt prøven i det lange løb.

Dette er en af ​​grundene til, at Daniël Geelen, Johannes Jobst, Sans Jan van der Molen og Rudolf Tromp bruger langsomme elektroner, bærer lave energier af flere elektronvolt (eV, derfor 'eV-TEM') i stedet for de sædvanlige titusinder eller hundredtusinder af elektronvolt.

Elektroner i grafen

Siden 2010 har gruppen driver et LEEM (lavenergi elektronmikroskop) udviklet af Tromp hos IBM, som viser de reflekterede elektroner. Geelen forbedrede apparatet med en mulighed for at se de elektroner, der går gennem prøven, "transmissionen". Dette vender apparatet i et transmissionselektronmikroskop (eV-TEM).

Det første undersøgte materiale er grafen, sorten af ​​kulstof i en lejlighed, todimensionalt sekskantet molekylært mønster, der ligner hønsenet. Forskerne affyrede langsomme elektroner mod enkelt, dobbelt og tredobbelt lag af grafen, og afbildede transmissionen.

"Der har været meget forskning i, hvordan elektroner opfører sig inden for grafenlag, men meget mindre i, hvordan de bevæger sig på tværs af lag, ”siger Sense Jan van der Molen.

Test af teorien

En teoretisk model fra halvfjerdserne forudsiger, at langsomme elektroner let kan passere gennem tynde lag, da de næppe vil interagere med elektronerne i disse lag. Derefter, når elektronernes energi og hastighed hæves, Antallet af interaktioner forventes at stige, hvilket ville resultere i, at færre og færre elektroner passerede gennem prøven. Denne 'universelle kurve' formodes at holde, uanset prøvens nøjagtige materiale.

Leidens fysikere dog bemærket noget meget andet. Ved specifikke elektronenergier, de måler kraftige fald i transmissionen, der svarer til toppe i refleksionen. "For elektroner med visse energier, grafen fungerer som et spejl, ”siger Van der Molen.

Spejlende grafen

I artiklen, forskerne giver en forklaring:elektroner er bølger. Ved visse bølgelængder, bølgerne reflekteret fra separate grafenlag vil forstærke hinanden. Denne 'konstruktive interferens' får stakken af ​​grafenlag til at fungere som et spejl for elektroner.

En lignende effekt er synlig i den grønlige eller lilla nuance af en antireflekterende belægning på glas eller kikkert. De består også af lag, som forårsager konstruktiv interferens for grønt eller lilla lys.

Den bølgelængdeafhængige spejling viser, at tynde prøver ikke virker så forudsigeligt og uafhængigt af det nøjagtige materiale som forventet, siger Johannes Jobst. "Disse resultater afhænger stærkt af materialets elektronstruktur, og på elektronenergien. "

Derudover forskningen tyder på muligheden for at bruge lagdelt grafen som spejle til elektronstråler. "Det kan være muligt at bruge dem som bjælkesplittere, «siger Tromp.

Tynde lag mindre forudsigelige

Sådanne bjælkesplittere, som deler en enkelt indgående stråle i to separate bjælker, er meget brugte standardudstyr inden for lysoptik, men de findes ikke for elektronstråler endnu. Tynde lag af grafen kunne måske udfylde dette hul. Men først, forskerne vil gerne forestille sig andre materialer. Van der Molen:"Dette muliggør grundlæggende ny forskning, i lagdelte materialer, og også i følsomme biomolekyler, der ville blive beskadiget i et almindeligt elektronmikroskop. "