Verken de nanowereld in 3D

Stel je een kubus voor waarop licht wordt geprojecteerd door een zaklamp. De kubus weerkaatst het licht op een bepaalde manier, dus door simpelweg de kubus te draaien of de zaklamp te bewegen, is het mogelijk om elk aspect te onderzoeken en informatie over de structuur af te leiden. Stel je nu voor dat deze kubus maar een paar atomen hoog is, dat het licht alleen in infrarood detecteerbaar is en dat de zaklamp een straal van een microscoop is. Hoe onderzoek je elk van de zijkanten van de kubus? Dat is de vraag die wetenschappers van het CNRS, l’Université Paris-Saclay, de Universiteit van Graz en de Technische Universiteit van Graz (Oostenrijk) onlangs hebben beantwoord door het eerste 3D-beeld te genereren van de structuur van het infraroodlicht nabij de nanokubus. Hun resultaten worden op 26 maart 2021 in Wetenschap​

Bij elektronenmicroscopie wordt een elektronenstraal gebruikt om een ​​monster te verlichten en een vergroot beeld te creëren. Het biedt ook completere metingen van fysische eigenschappen, met een ongeëvenaarde ruimtelijke resolutie die zelfs individuele atomen kan visualiseren. Chromatem, het speciale instrument voor spectroscopie van het Equipex Tempos-team, is een van deze nieuwe generatie microscopen. Het onderzoekt de optische, mechanische en magnetische eigenschappen van materie met een zeer hoge resolutie, een resolutie die door slechts drie andere microscopen ter wereld wordt geëvenaard.

Wetenschappers van het CNRS en l’Université Paris-Saclay die bij het Solid States Physics Laboratory (CNRS / Université Paris-Saclay) werkten, gebruikten samen met hun collega’s van de Universiteit van Graz en de Technische Universiteit van Graz (Oostenrijk) Chromatem om een magnesiumoxide nanokristal. De trilling van zijn atomen creëert een elektromagnetisch veld dat alleen kan worden gedetecteerd in het midden-infraroodbereik. Wanneer de elektronen die door de microscoop worden uitgezonden indirect in aanraking komen met dit elektromagnetische veld, verliezen ze energie. Door dit energieverlies te meten, wordt het mogelijk om de contouren van het elektromagnetische veld rond het kristal af te leiden.

Het probleem is dat dit type microscopie alleen afbeeldingen in 2D kan opleveren, waardoor de vraag rijst hoe alle hoeken, randen en zijkanten van de kubus kunnen worden gevisualiseerd. Om dit te doen, hebben de wetenschappers beeldreconstructietechnieken ontwikkeld die voor het eerst 3D-beelden hebben gegenereerd van het veld rondom het kristal. Dit zal het uiteindelijk mogelijk maken om een ​​specifiek punt op het kristal te richten en bijvoorbeeld gelokaliseerde warmteoverdrachten uit te voeren.

Veel andere nano-objecten absorberen infrarood licht, zoals tijdens warmteoverdrachten, en het is nu mogelijk om 3D-beelden van deze overdrachten te maken. Dit is een manier om de warmteafvoer te optimaliseren in de steeds kleinere componenten die in nano-elektronica worden gebruikt.