Den senaste tidens vetenskapliga framsteg har öppnat nya möjligheter för nära observation av fysiska fenomen. Forskare vid University of Cambridge och University of Newcastle introducerade nyligen en ny metod för att mäta heliumatomdiffraktion med mikroskopisk rumslig upplösning.
Denna metod, som beskrivs i en artikel i Physical Review Letters , gör det möjligt för fysiker att studera elektronkänsliga material och bättre förstå deras morfologi med hjälp av heliummikrodiffraktion.
"Det skanande heliummikroskopet har utvecklats över flera forskargrupper i över ett decennium med fokus på att förbättra instrumentets upplösning och studera tekniska och biologiska prover", säger Matthew Bergin, medförfattare till tidningen, till Phys.org. "Men relativt lite arbete hade gjorts med att använda materievågsaspekten av heliumstrålen för att studera ordnade ytor med ett skanningsheliummikroskop."
Den senaste studien av Bergin och hans kollegor bygger på en av deras tidigare artiklar publicerade i Scientific Reports 2020. I detta tidigare arbete observerade forskarna signaturen för diffraktion från en mikroskopisk fläck på ett prov, men de kunde inte direkt mäta dess underliggande diffraktionsmönster.
I sin nya tidning satte de sig för att fortsätta sitt arbete på detta område. Deras studies underliggande mål var att visa att en atombaserad materiavåg kunde användas för att bilda ett diffraktionsmönster från rumsligt upplösta områden på en yta.
"På grund av atomernas partikel-vågdualitet kan en heliumstråle riktad mot ett gitter bete sig som en våg och diffraktera från den periodiska strukturen," sa Bergin. "Heliumatomer med termisk energi har en så låg energi (<100meV) att det erhållna diffraktionsmönstret garanterat är unikt känsligt för ytstrukturen.
"Heliumatomspridning är en väletablerad teknik som använder positionen och intensiteten för dessa diffraktionstoppar för att studera en provyta, men hittills har dessa studier varit begränsade till homogena kristaller som är åtminstone flera millimeter stora."
I sina experiment använde Bergin och hans kollegor ett avsökningsheliummikroskop som använder ett nålhål för att kollimera en heliumstråle. Med detta mikroskop och en noggrant utformad strategi kunde de samla in diffraktionsmönster från ett litet område (~10um) av ett prov, trots att de använde en fast detektor.
"Genom att noggrant kalibrera instrumentet kan vi flytta provpositionerings- och rotationsstegen för att variera den utgående detekteringsvinkeln och provets azimut samtidigt som vi belyser samma punkt," förklarade Bergin. "Resultatet är att vi kan bygga ett exklusivt ytkänsligt diffraktionsmönster från det lilla, upplysta området av provet."
Det senaste arbetet av denna forskargrupp visar möjligheten att använda atomer för att samla in ett diffraktionsmönster från ett mikroskopiskt område på provets yta. Deras föreslagna metod skulle kunna användas av andra fysiker för att studera diffraktionsmönster och få ny insikt om material som inte kan undersökas exakt med konventionella atomspridningstekniker.
"De spatialt upplösta egenskaperna hos instrumentet kombinerat med den utmärkta ytkänsligheten gör att vi nu kan använda atomspridning för att mäta materialegenskaperna hos små prover med intressanta ytegenskaper, såsom flingor av 2D-material," tillade Bergin.
"Vid University of Cambridge har arbetet redan påbörjats med att tillämpa tekniken för att mäta diffraktion från flingor av 2D-material. Samtidigt utvecklar kollegor vid University of Newcastle ett nytt mätsteg som direkt kan flytta detektorn för att samla in diffraktionsmönster utan några komplex kalibrering eller manipulering av provet."
Mer information: Nick A. von Jeinsen et al, 2D Helium Atom Diffraction from a Microscopic Spot, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.236202
Journalinformation: Vetenskapliga rapporter , Fysiska granskningsbrev
© 2024 Science X Network
