Potentialen hos en ultrasnabb form av transmissionselektronmikroskopi för att mäta ljudvågor i nanostrukturer har demonstrerats av tre RIKEN-fysiker. Detta kan hjälpa till att förverkliga en högupplöst bildbehandlingsmetod som använder ultrahögfrekventa ljudvågor för att avbilda strukturer som är nanometer stora.
Ultraljud används rutinmässigt på kliniker och sjukhus för att avbilda inre organ och spädbarn i livmodern. Ljudvågorna som används är vanligtvis några millimeter i våglängd, så de kan avbilda strukturer ner till den nivån.
Även om en sådan upplösning är bra för medicinsk bildbehandling, skulle fysiker vilja använda ljudvågor för att avbilda strukturer i material som är några nanometer stora.
"Om vi kan använda ljudvågor som har våglängder på cirka 100 nanometer eller så, kan vi använda dem för att inspektera material, som att hitta defekter", förklarar Asuka Nakamura från RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS). "Men känsligheten för små defekter beror verkligen på våglängden."
Detta kräver generering och detektering av ljudvågor som har mycket mindre våglängder (och därmed högre frekvenser). Att skapa sådana högfrekventa ljudvågor är relativt enkelt – ultrakorta laserpulser har använts för att generera dem i metaller och halvledare i flera decennier. Men att upptäcka dem är mycket mer utmanande eftersom det kräver utveckling av detektorer som kan uppnå en upplösning på nanometer i rymden och pikosekunder i tiden.
Nu har Nakamura, tillsammans med CEM-kollegorna Takahiro Shimojima och Kyoko Ishizaka, visat potentialen hos en speciell typ av elektronmikroskop för att avbilda sådana ultrahögfrekventa ljudvågor. Forskningen är publicerad i tidskriften Nano Letters .
Specifikt använde de ett ultrasnabbt transmissionselektronmikroskop (UTEM) för att detektera ljudvågor som genereras av ett 200 nanometers hål i mitten av en ultratunn kiselplatta. En UTEM använder två laserstrålar med en liten fördröjning mellan dem (se figuren ovan). Den ena strålen belyser provet, medan den andra genererar en ultrakort puls av elektroner i mikroskopet. Denna inställning gör att mycket korta tidsskalor kan lösas.
När trion simulerade vågorna teoretiskt och jämförde simuleringarna med experimentellt erhållna bilder fann de god överensstämmelse.
Kvaliteten på bilderna överträffade teamets förväntningar, vilket gjorde att de kunde utföra Fourier-transformanalys – en vanlig matematisk analytisk teknik – på bilderna. "Innan vi utförde dessa experiment hade vi inte för avsikt att karakterisera ljudvågorna", säger Nakamura. "Men efter att ha tagit data märkte vi att de var väldigt vackra och vi kunde tillämpa Fourier-transformation. Det var överraskande för mig."
Forskarna avser nu att undersöka ultrasnabb strukturell och magnetisk dynamik i fasta ämnen som induceras av sådana nanometriska ljudvågor med hjälp av UTEM.
Mer information: Asuka Nakamura et al, Karakterisering av en optiskt inducerad submikrometer gigahertz akustisk våg i en tunn kiselplatta, Nanobokstäver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.2c03938
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av RIKEN
