Электронные микроскопы дают нам представление о мельчайших деталях материалов и могут визуализировать, например, структуру твердых тел, молекул или наночастиц с атомарным разрешением. Однако большинство материалов в природе не являются статичными. Они постоянно взаимодействуют, перемещаются и изменяют форму между начальной и конечной конфигурациями. Одним из наиболее общих явлений является взаимодействие между светом и веществом, которое вездесуще в таких материалах, как солнечные элементы, дисплеи или лазеры. Эти взаимодействия определяются электронами, которые толкаются и притягиваются колебаниями света, и динамика чрезвычайно быстрая: световые волны колеблются со скоростью аттосекунд, миллиардных долей миллиардной доли секунды.
До сих пор было очень трудно непосредственно визуализировать эти чрезвычайно быстрые процессы в пространстве и времени, но это именно то, в чем сейчас преуспела команда физиков из Университета Констанца. Они записали видеозаписи с аттосекундным временным разрешением в просвечивающем электронном микроскопе, что позволило по-новому взглянуть на функциональность наноматериалов и диэлектрических метаатомов. Недавно они опубликовали свои результаты в научном журнале Природа.
Генерация ультракоротких электронных импульсов
"Если присмотреться повнимательнее, то почти все явления в оптике, нанофотонике или метаматериалах происходят в масштабах времени, меньших одного периода колебаний световой волны", - объясняет Питер Баум, профессор физики и руководитель группы света и материи в Университете Констанца. "Поэтому, чтобы заснять сверхбыстрые взаимодействия между светом и веществом, нам необходимо временное разрешение в аттосекунды". Чтобы достичь такой экстремальной скорости записи, исследовательская группа Баума использует быстрые колебания лазера непрерывного действия для преобразования электронного луча электронного микроскопа в последовательность ультракоротких электронных импульсов.
В этом процессе тонкая кремниевая мембрана создает периодическое ускорение и замедление электронов. "Эта модуляция заставляет электроны догонять друг друга. Через некоторое время они преобразуются в последовательность ультракоротких импульсов", - объясняет Дэвид Наббен, докторант и первый автор исследования. Другая лазерная волна создает взаимодействие с образцом объекта. Затем ультракороткие электронные импульсы используются для измерения реакции объекта на лазерный луч, застывшей во времени, как в стробоскопе. В конце концов, исследователи получают видеозапись процессов с аттосекундным временным разрешением.
Исследование нанофотонных явлений
В своем исследовании ученые приводят несколько примеров измерений с временным разрешением в наноматериалах. Эксперименты показывают, например, появление хиральных поверхностных волн, которыми исследователи могут управлять для распространения в определенном пространственном направлении, или характерные временные задержки между различными режимами излучения наноантенн. Более того, ученые не только исследуют такие поверхностные явления, но и снимают электромагнитные процессы внутри материала волновода.
Полученные результаты представляют большой интерес для дальнейших разработок в области нанофотоники, а также демонстрируют очень широкую область применения новой аттосекундной электронной микроскопии. "Прямое измерение электромагнитной функциональности материалов в зависимости от пространства и времени не только имеет большое значение для фундаментальной науки, но и открывает путь для новых разработок в области фотонных интегральных схем или метаматериалов", - резюмирует Наббен влияние полученных результатов.
Комментарии