'ลายนิ้วมือด้วยแสง' บนลำอิเล็กตรอน

'ลายนิ้วมือด้วยแสง' บนลำอิเล็กตรอน

ประทับเวลา: 15 มกราคม 2024 10:17 น
โหนดต้นทาง: 3062609
ม.ค. 15, 2024

(ข่าวนาโนเวิร์ค) การควบคุมลำอิเล็กตรอนที่แม่นยำในสิ่งที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) ทำให้สามารถวิเคราะห์วัสดุหรือโมเลกุลในระดับอะตอมได้ เมื่อใช้ร่วมกับพัลส์แสงสั้น อุปกรณ์เหล่านี้ยังสามารถใช้ในการวิเคราะห์กระบวนการไดนามิกได้อีกด้วย นักวิจัยจากเมืองเกิตทิงเงนและสวิตเซอร์แลนด์ได้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าอิเล็กตรอนสามารถแยกแยะสถานะแสงที่ซับซ้อนในที่เก็บแสงด้วยกล้องจุลทรรศน์ใน TEM ได้อย่างไร เราจะใช้แสงในการจัดเก็บข้อมูลได้อย่างไร? หรือใช้เพื่อส่งข้อมูลด้วยความเร็วสูง? สาขาการวิจัยของโฟโตนิกส์เกี่ยวข้องกับคำถามเหล่านี้และคำถามอื่นๆ อีกมากมาย โฟโตนิกส์แบบบูรณาการสมัยใหม่ทำให้สามารถนำทางหรือควบคุมแสงในช่องสัญญาณบนไมโครชิปได้ นอกจากนี้ยังสามารถใช้สิ่งที่เรียกว่ากระบวนการทางแสงแบบไม่เป็นเชิงเส้นได้ โดยจะสร้างสีใหม่หรือพัลส์แสงที่สั้นมากเพื่อให้ความเข้มของแสงสูงมาก เทคโนโลยีเหล่านี้ได้ถูกนำมาใช้แล้วในโทรคมนาคม สำหรับการวัดระยะทางและความเร็วของแสง และในการคำนวณควอนตัม เมื่อเร็ว ๆ นี้ การเชื่อมต่อใหม่ระหว่างโฟโตนิกส์และสาขาการวิจัยอื่น ๆ เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ได้เกิดขึ้นมากขึ้น ตัวอย่างเช่น ไมโครชิปแบบใช้แสงเพิ่งสามารถมีอิทธิพลต่อลำอิเล็กตรอนได้ ในทางกลับกัน สามารถใช้อิเล็กตรอนในการวัดสนามแสงได้ เมื่ออิเล็กตรอนผ่านสนามแสงที่มีความเข้มข้นสูง มันจะถูกเร่งหรือชะลอความเร็ว ขึ้นอยู่กับเวลาที่มาถึงและความแรงของสนาม นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถสรุปได้โดยตรงเกี่ยวกับคุณสมบัติของแสงจากความเร็วที่เปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอน ภาพประกอบปฏิสัมพันธ์ระหว่างลำอิเล็กตรอน (สีเขียว) และพัลส์แสงโซลิตันที่หมุนเวียนอยู่ในตัวสะท้อนเสียงแบบวงแหวน (สีบนพื้นหลังสีขาว ภาพประกอบปฏิสัมพันธ์ระหว่างลำอิเล็กตรอน (สีเขียว) และพัลส์แสงโซลิตันที่หมุนเวียนอยู่ในตัวสะท้อนเสียงแบบวงแหวน (สีบนพื้นหลังสีขาว) การเปลี่ยนแปลงของลำอิเล็กตรอนจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติของพัลส์แสง (ภาพ: Ryan Allen จาก Second Bay Studios)

วิเคราะห์สถานะแสงต่างๆ

ในการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร วิทยาศาสตร์ (“อันตรกิริยาของอิเล็กตรอนอิสระกับสถานะทางแสงแบบไม่เชิงเส้นในไมโครเรโซเนเตอร์”) ทีมงานที่นำโดย Claus Ropers จากสถาบัน Max Planck (MPI) สำหรับสหสาขาวิชาชีพใน Göttingen และ Tobias Kippenberg จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งสหพันธรัฐสวิสในเมืองโลซาน (EPFL) ได้ตรวจสอบกระบวนการทางแสงที่ไม่เป็นเชิงเส้นต่างๆ โดยใช้ลำแสงอิเล็กตรอน ในการทำเช่นนี้ พวกเขาได้วางอุปกรณ์กักเก็บแสงรูปวงแหวนที่เรียกว่าไมโครเรโซเนเตอร์ ไว้ใน TEM และสร้างแสงที่มีรูปคลื่นต่างๆ กัน จากปฏิสัมพันธ์ลักษณะเฉพาะกับลำอิเล็กตรอน พวกเขาจึงสามารถวิเคราะห์สถานะแสงต่างๆ ได้อย่างละเอียด “ถ้าเราวางตำแหน่งลำอิเล็กตรอนในลักษณะที่อิเล็กตรอนบินผ่านตัวสะท้อนกลับ เราก็สามารถวัดอิทธิพลที่แน่นอนของสนามแสงที่มีต่อพลังงานอิเล็กตรอนได้” Jan-Wilke Henke จาก MPI อธิบาย Jasmin Kappert เพื่อนร่วมงานของเขากล่าวเสริมว่า "รูปคลื่นที่เป็นไปได้ของแสงแต่ละรูปจะทิ้งร่องรอยลักษณะเฉพาะไว้ในสเปกตรัมอิเล็กตรอน ซึ่งช่วยให้เราสามารถติดตามการก่อตัวของสถานะต่างๆ ได้" นักศึกษาปริญญาเอกทั้งสองคนได้ทำการทดลองในห้องปฏิบัติการสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องผ่านด้วยความเร็วสูงพิเศษที่ MPI ในเมืองเกิตทิงเกน ชิปโฟโตนิกที่จำเป็นได้รับการพัฒนาโดยทีมงานในเมืองโลซาน

พัลส์แสงที่กินเวลาน้อยกว่าหนึ่งในสิบของหนึ่งล้านล้านวินาที

อย่างไรก็ตาม นักวิจัยไม่เพียงแต่ประสบความสำเร็จในการกำหนดลักษณะของสนามแสงตามผลกระทบที่มีต่ออิเล็กตรอนเท่านั้น “ในการทดลองของเรา เรายังสร้างสิ่งที่เรียกว่าโซลิตอนด้วย ซึ่งเป็นพัลส์แสงที่เสถียรและสั้นเกินขีดซึ่งกินเวลาน้อยกว่าหนึ่งในสิบของหนึ่งล้านล้านของวินาที” อธิบาย นักฟิสิกส์ Yujia Yang จาก EPFL ความเป็นไปได้ในการสร้างโซลิตอนใน TEM จะขยายการใช้เลนส์ที่ไม่ใช่เชิงเส้นและไมโครเรโซเนเตอร์ไปยังพื้นที่ที่ยังไม่ได้สำรวจ Tobias Kippenberg กล่าว “ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนกับโซลิตันสามารถช่วยให้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเร็วมากมีอัตราการทำซ้ำสูงอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน” ผู้อำนวยการ Max Planck Claus Ropers กล่าวเสริมว่า "ผลลัพธ์ของเราแสดงให้เห็นว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีความเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการตรวจสอบพลศาสตร์ทางแสงที่ไม่เป็นเชิงเส้นในระดับนาโน นอกจากนี้เรายังสันนิษฐานว่าจะมีการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้อีกมากมายในอนาคต ทั้งในด้านการจัดการลำแสงอิเล็กตรอนเชิงพื้นที่และเชิงเวลา”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก นาโนเวิร์ค