Een uitsnede van de ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop (UTEM) die onderzoekers van RIKEN gebruikten om ultrahoogfrequente geluidsgolven in een dunne siliciumplaat af te beelden. De laser aan de linkerkant levert twee stralen, één (bovenste straal) die interageert met de elektronenstraal (groen) van de microscoop en de andere (onderste straal) verlicht het monster. Krediet: RIKEN Centrum voor Emergent Matter Science
Het potentieel van een ultrasnelle vorm van transmissie-elektronenmicroscopie om geluidsgolven in nanostructuren te meten, is aangetoond door drie natuurkundigen van RIKEN. Dit zou kunnen helpen bij het realiseren van een beeldvormingsmethode met hoge resolutie die gebruikmaakt van ultrahoogfrequente geluidsgolven om structuren met een grootte van nanometers in beeld te brengen.
Echografie wordt routinematig gebruikt in klinieken en ziekenhuizen om inwendige organen en baby’s in de baarmoeder in beeld te brengen. De gebruikte geluidsgolven hebben meestal een golflengte van enkele millimeters en kunnen dus tot op dat niveau structuren in beeld brengen.
Hoewel een dergelijke resolutie prima is voor medische beeldvorming, zouden natuurkundigen geluidsgolven willen gebruiken om structuren in materialen van enkele nanometers groot in beeld te brengen.
“Als we geluidsgolven kunnen gebruiken met golflengten van ongeveer 100 nanometer of zo, kunnen we ze gebruiken voor het inspecteren van materialen, zoals het vinden van defecten”, legt Asuka Nakamura van het RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) uit. “Maar de gevoeligheid voor kleine defecten hangt echt af van de golflengte.”
Dit vereist het genereren en detecteren van geluidsgolven met veel kleinere golflengten (en dus hogere frequenties). Het creëren van dergelijke hoogfrequente geluidsgolven is relatief eenvoudig: ultrakorte laserpulsen worden al tientallen jaren gebruikt om ze op te wekken in metalen en halfgeleiders. Maar het detecteren ervan is veel uitdagender, omdat daarvoor detectoren moeten worden ontwikkeld die een resolutie van nanometers in de ruimte en picoseconden in de tijd kunnen bereiken.
Nu heeft Nakamura, samen met CEM-collega’s Takahiro Shimojima en Kyoko Ishizaka, het potentieel aangetoond van een speciaal type elektronenmicroscoop voor het afbeelden van dergelijke ultrahoogfrequente geluidsgolven. Het onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift Nano-brieven.
Concreet gebruikten ze een ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop (UTEM) om geluidsgolven te detecteren die werden gegenereerd door een gat van 200 nanometer in het midden van een ultradunne siliciumplaat. Een UTEM gebruikt twee laserstralen met een kleine vertraging ertussen (zie bovenstaande afbeelding). De ene straal verlicht het monster, terwijl de andere een ultrakorte puls van elektronen in de microscoop genereert. Met deze opstelling kunnen zeer korte tijdschema’s worden opgelost.
Toen het trio de golven theoretisch simuleerde en de simulaties vergeleek met experimenteel verkregen beelden, vonden ze goede overeenstemming.
De kwaliteit van de afbeeldingen overtrof de verwachtingen van het team, waardoor ze Fourier-transformatie-analyse – een veelgebruikte wiskundige analysetechniek – op de afbeeldingen konden uitvoeren. “Voordat we deze experimenten uitvoerden, waren we niet van plan de geluidsgolven te karakteriseren”, zegt Nakamura. “Maar nadat we de gegevens hadden genomen, merkten we dat ze erg mooi waren en konden we Fourier-transformatie toepassen. Dat was verrassend voor mij.”
De onderzoekers zijn nu van plan ultrasnelle structurele en magnetische dynamiek in vaste stoffen te onderzoeken die worden veroorzaakt door dergelijke nanometrische geluidsgolven met behulp van UTEM.
Meer informatie:
Asuka Nakamura et al, Karakterisering van een optisch geïnduceerde submicrometer Gigahertz akoestische golf in een dunne siliciumplaat, Nano-brieven (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03938
Tijdschrift informatie:
Nano-brieven
Aangeboden door RIKEN
