Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory och University of Nebraska har utvecklat ett enklare sätt att generera elektroner för nanoskala avbildning och avkänning, tillhandahålla ett användbart nytt verktyg för materialvetenskap, bioavbildning och grundläggande kvantforskning.

I en studie publicerad i New Journal of Physics , forskarna rapporterade att avfyring av intensiva laserpulser genom en fiberoptisk nanotip fick spetsen att sända ut elektroner, skapa en snabb "elektronpistol" som kan användas för att sondera material. Enheten gör det möjligt för forskare att snabbt undersöka ytor från alla vinklar, vilket ger en enorm fördel jämfört med mindre mobila befintliga tekniker.

"Det fungerar enligt principen om ljusaktivering, så ljus kommer in och stimulerar elektronerna i metallen precis på rätt sätt för att de ska få tillräckligt med energi för att komma ut, " sa Ali Passian från ORNL:s Quantum Information Science-grupp.

Elektroner är ett ovärderligt verktyg för att få en närmare titt på ytegenskaper hos material. De subatomära partiklarna, som har kortare våglängder än fotoner - ljuspartiklar - kan förstora objekt på nanometer, eller en miljarddels meter, upplösning – exponentiellt högre än ljusförstoring.

Sedan mitten av 2000-talet, forskare har använt vassa nanotips för att sända ut elektroner i hårt fokuserade strålar. Nanotopparna ger förbättrad rumslig och tidsmässig upplösning jämfört med andra svepelektronmikroskopitekniker, hjälpa forskare att bättre spåra pågående interaktioner på nanoskala. I dessa tekniker, elektroner emitteras när fotoner exciterar spetsarna.

Före denna studie, dock, Nanotip-emissionsmetoder har förlitat sig på extern ljusstimulering. För att generera elektroner, forskare var tvungna att noggrant rikta in laserstrålar på spetsen av nanotipsen.

"Tidigare, lasrar var tvungna att spåra spetsarna, vilket är tekniskt mycket svårare att göra, sade Herman Batelaan, en medförfattare på studien som leder forskning om elektronkontroll vid University of Nebraska. Uppgiftens svårighet begränsade hur snabbt bilder kunde tas och från vilken position.

Men Passian hade en idé om ett annat tillvägagångssätt. Genom att avfyra laserljus genom en flexibel optisk fiber för att belysa dess avsmalnande, metallbelagd nanotip inifrån, han förutspådde att han kunde skapa ett lättare manövrerbart verktyg.

"Tanken var att eftersom detta är enkelt och inneslutet - ljuset fortplantar sig från insidan - kan du sondera olika delar av materialet på olika höjder och laterala positioner, sa Passian.

För att ta reda på om hans idé var möjlig, Passian slog sig ihop med Batelaan och sedan doktorand Sam Keramati vid University of Nebraska. Nebraska-teamet använde en femtosekundlaser för att skjuta ultrakort, intensiva pulser genom en optisk fiber och in i en vakuumkammare. I kammaren, ljuset rörde sig genom en guldbelagd fiber nanotip som hade tillverkats på ORNL.

Teamet observerade verkligen kontrollerad elektronemission från nanotipsen. Analysera data, de föreslog att mekanismen som möjliggör utsläpp inte är enkel, utan innehåller snarare en kombination av faktorer.

En faktor är att formen och metallbeläggningen på nanotipsen genererar ett elektriskt fält som hjälper till att trycka ut elektroner ur spetsen. En annan faktor är att detta elektriska fält vid nanotipsens spets kan förstärkas av specifika våglängder av laserljus.

"Genom att ställa in femtosekundlasern till rätt våglängd, som vi kallar ytplasmonresonansvåglängden, vi upptäckte att vi kom över tröskelvärde för utsläpp, ", sa Keramati. Ytplasmonresonans betyder en kollektiv oscillation av elektronerna vid metallens yta. Emission över tröskelvärdet inträffar när elektroner absorberar tillräckligt med energi från fotoner för att skjutas ut med en initial kinetisk energi.

För att verifiera att elektronerna emitterades på grund av ljus och inte värme, teamet studerade själva nanotipparna. Spetsarna fick ingen skada under experimentet, vilket indikerar att emissionsmekanismen verkligen är ljusdriven.

En ytterligare fördel med den nya tekniken, de hittade, är att laserkällans snabbväxlingskapacitet gör att de kan kontrollera elektronemission med hastigheter högre än en nanosekund. Detta kommer att ge dem ett bättre sätt att ta bilder i snabb takt. Sådana bilder kan sedan sättas ihop nästan som en film för att spåra komplexa interaktioner på nanoskala.

Skruvar ner strömmen

Nöjd med dessa första fynd, teamet bestämde sig för att testa om de kunde uppnå ett liknande resultat med en mycket mindre kraftfull kontinuerlig våglaser, samma typ som finns i en vardaglig laserpekare. För att kompensera för bristen på laserkraft, de höjde spänningen vid nanotipsen, skapa en energipotentialskillnad som de trodde kunde hjälpa till att driva ut elektroner. Till deras förvåning, det fungerade.

"Vad vi vet är detta den minsta laserintensitet som har gett upphov till elektronemission från nanotips, "Keramati, nu postdoktor, sagt om resultaten publicerade i Tillämpad fysikbokstäver .

"Nu istället för att ha en kraftfull, extremt dyr laser, du kan gå med en $10 diodlaser, " konstaterade Batelaan.

Även om lasrar med kontinuerliga vågor saknar snabba växlingsförmågan hos mer kraftfulla femtosekundslasrar, långsam växling erbjuder sina egna fördelar; nämligen, möjligheten att bättre kontrollera varaktigheten och antalet elektroner som emitteras av nanotoppar.

Teamet visade, faktiskt, att kontrollen som tillhandahålls av långsam växling möjliggjorde elektronemission inom de gränser som är nödvändiga för en futuristisk applikation som kallas elektronspökavbildning. Nyligen demonstrerade ljusspökbilder utnyttjar ljusets kvantegenskaper till bildkänsliga prover, såsom levande biologiska celler, vid mycket låg exponering.

Genom att bunta ihop flera fibernanotips, teamet hoppas kunna åstadkomma elektronspökbilder på nanoskala.