Kvantkoherent elektron-ljuskoppling i en ultrasnabb SEM. Elektroner fotoemitterade av ultravioletta laserpulser (lila) fortplantar sig genom kolonnen på en kommersiell SEM. Elektronstrålen (grön) är fokuserad nära en tungstensnålsspets (insatt), där den interagerar med det optiska närfältet som exciteras av 1030-nm laserpulser, kopplat in i SEM genom ett CF-100-fönster i SEM-provkammaren . Den asfäriska fokuseringslinsen (ej visad) är 25 mm bort från spetsen, inuti kammaren. Elektronspektra registreras med en hemmabyggd kompakt dubbelstegs magnetisk sektorelektronspektrometer baserad på Omega-filtret, placerad inuti SEM. Spektrometerns spridningsplan avbildas på en mikrokanalplattdetektor, vars fosforskärm registreras optiskt från utsidan av vakuumkammaren med en CMOS-kamera. En exempelbild (infälld längst ner till höger), där individuella elektronräkningar (svarta prickar) och fotonordningar (vertikala prickade linjer) lätt kan ses av ögat. PINEM-spektrumet erhålls genom att integrera kamerabilden vertikalt [38]. Det osammanhängande genomsnittliga experimentella spektrumet (svart), med de råa, lagrade data (blå), visar 24 PINEM-order, 12 på varje sida, det maximala vi observerade. Kredit:Physical Review Letters (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.128.235301
Fysiker vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har designat ett ramverk som gör det möjligt för forskare att observera interaktioner mellan ljus och elektroner med hjälp av ett traditionellt svepelektronmikroskop. Förfarandet är avsevärt billigare än den teknik som hittills använts och möjliggör även ett bredare experimentområde. Forskarna har publicerat sina resultat i tidskriften Physical Review Letters .
Kvantdatorn är bara ett exempel på hur viktig en förståelse av de grundläggande processerna som ligger bakom interaktioner mellan fotoner och elektroner är. I kombination med ultrakorta laserpulser är det möjligt att mäta hur fotoner förändrar elektronernas energi och hastighet. Denna fotoninducerade elektronmikroskopi (PINEM) har hittills helt förlitat sig på transmissionselektronmikroskop (TEM). Även om dessa har upplösningen att lokalisera enskilda atomer, är de dock betydligt dyrare än svepelektronmikroskop (SEM), och deras provkammare är extremt liten, bara några kubikmillimeter stor.
Mäter skillnader ner till bara några hundra tusendelar av en helhet
Forskare vid professor Dr. Peter Hommelhoffs ordförande för laserfysik har nu lyckats modifiera en traditionell SEM för att genomföra PINEM-experiment. De designade en speciell spektrometer baserad på magnetiska krafter som är integrerad direkt i mikroskopet. Den bakomliggande principen är att magnetfältet avleder elektroner i större eller mindre utsträckning beroende på deras hastighet. Med hjälp av en detektor som omvandlar elektronkollisioner till ljus, ges en exakt avläsning av denna avvikelse. Metoden gör det möjligt för forskare att mäta även de minsta förändringar i energi, upp till skillnader på bara flera hundra tusendelar av det ursprungliga värdet – tillräckligt för att differentiera bidraget från en enskild ljusenergikvanta – en foton.
Ett bredare spektrum av experiment är möjligt i framtiden
Erlangen-fysikernas upptäckt är banbrytande på mer än ett sätt. Ur ekonomisk synvinkel skulle möjligheten att forska i foton-elektroninteraktioner utan att använda TEM, som kostar flera miljoner euro, göra forskningen mer tillgänglig. Dessutom, eftersom kammaren i en SEM i allmänhet har en volym på upp till 20 kubikcentimeter, är ett mycket bredare utbud av experiment nu möjligt, eftersom ytterligare optiska och elektroniska komponenter som linser, prismor och speglar kan placeras direkt bredvid proverna . Forskarna förväntar sig att om några år kommer hela området för mikroskopiska kvantexperiment att skifta från TEM till SEM. + Utforska vidare
