Brug af lydbølger til at afbilde nanostrukturer

Potentialet af en ultrahurtig form for transmissionselektronmikroskopi til at måle lydbølger i nanostrukturer er blevet demonstreret af tre RIKEN-fysikere. Dette kunne hjælpe med at realisere en billedbehandlingsmetode i høj opløsning, der bruger ultrahøjfrekvente lydbølger til at afbilde strukturer, der er nanometer store.

Ultralyd bruges rutinemæssigt på klinikker og hospitaler til at afbilde indre organer og babyer i livmoderen. De anvendte lydbølger er normalt et par millimeter i bølgelængde, og så kan de afbilde strukturer ned til det niveau.

Selvom en sådan opløsning er fin til medicinsk billeddannelse, vil fysikere gerne bruge lydbølger til at afbilde strukturer i materialer, der er nogle få nanometer store.

"Hvis vi kan bruge lydbølger, der har bølgelængder på omkring 100 nanometer eller deromkring, kan vi bruge dem til at inspicere materialer, såsom at finde defekter," forklarer Asuka Nakamura fra RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS). "Men følsomheden over for små defekter afhænger virkelig af bølgelængden."

Dette kræver generering og detektering af lydbølger, der har meget mindre bølgelængder (og dermed højere frekvenser). At skabe sådanne højfrekvente lydbølger er relativt let - ultrakorte laserimpulser er blevet brugt til at generere dem i metaller og halvledere i flere årtier. Men at opdage dem er meget mere udfordrende, da det kræver udvikling af detektorer, der er i stand til at opnå en opløsning på nanometer i rummet og picosekunder i tid.

Nu har Nakamura sammen med CEM-kollegerne Takahiro Shimojima og Kyoko Ishizaka demonstreret potentialet af en speciel type elektronmikroskop til billeddannelse af sådanne ultrahøjfrekvente lydbølger. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Nano Letters .

Specifikt brugte de et ultrahurtigt transmissionselektronmikroskop (UTEM) til at detektere lydbølger genereret af et 200 nanometer hul i midten af ​​en ultratynd siliciumplade. En UTEM bruger to laserstråler med en lille forsinkelse mellem dem (se figuren ovenfor). Den ene stråle belyser prøven, mens den anden genererer en ultrakort puls af elektroner i mikroskopet. Denne opsætning gør det muligt at løse meget korte tidsskalaer.

Da trioen simulerede bølgerne teoretisk og sammenlignede simuleringerne med eksperimentelt opnåede billeder, fandt de god overensstemmelse.

Kvaliteten af ​​billederne oversteg holdets forventninger, hvilket gjorde det muligt for dem at udføre Fourier-transformanalyse - en almindeligt anvendt matematisk analytisk teknik - på billederne. "Før vi udførte disse eksperimenter, havde vi ikke til hensigt at karakterisere lydbølgerne," siger Nakamura. "Men efter at have taget dataene, bemærkede vi, at de var meget smukke, og vi kunne anvende Fourier-transformation. Det var overraskende for mig."

Forskerne har nu til hensigt at undersøge ultrahurtig strukturel og magnetisk dynamik i faste stoffer induceret af sådanne nanometriske lydbølger ved hjælp af UTEM.

Flere oplysninger: Asuka Nakamura et al., Karakterisering af en optisk induceret sub-mikrometer gigahertz akustisk bølge i en tynd siliciumplade, nanobogstaver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.2c03938

Journaloplysninger: Nanobreve

Leveret af RIKEN