Broadband radio-frequency TEM specimen holders for in situ biasing excitation and 100-ps-scale electron beam control
Questo articolo presenta lo sviluppo e la caratterizzazione di supporti per campioni TEM a banda larga realizzati in casa che consentono l'eccitazione elettrica in GHz di nanodispositivi e il controllo del fascio di elettroni su scala sub-nanosecondo, stabilendo una piattaforma versatile per futuri esperimenti pump-probe completamente elettrici.
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Per comprendere il lavoro qui descritto, bisogna innanzitutto immaginare il microscopio elettronico non solo come una macchina fotografica che scatta immagini incredibilmente nitide di cose minuscole, ma come uno strumento capace anche di osservare come quelle cose si muovono e cambiano mentre sono al lavoro. Per decenni, gli scienziati hanno usato questi microscopi per studiare i materiali nel loro stato naturale, o sotto condizioni quali calore o pressione. Più recentemente, hanno aggiunto la capacità di applicare elettricità a un campione mentre questo si trova all'interno della macchina, permettendo loro di vedere come si comporta un dispositivo su scala nanometrica quando viene acceso. Tuttavia, la maggior parte di questi esperimenti è stata limitata a segnali elettrici lenti e costanti, come un flusso d'acqua regolare. Molti dispositivi moderni, come i processori dei nostri telefoni o la memoria magnetica dei computer, operano a velocità che cambiano miliardi di volte al secondo. Per comprendere veramente come funzionano questi dispositivi, gli scienziati devono vederli reagire a segnali elettrici che si accendono e si spengono con la stessa rapidità con cui avviene nella realtà. La sfida è stata che far arrivare questi segnali elettrici incredibilmente veloci all'interno del vuoto di un microscopio senza distorcerli è estremamente difficile, molto simile al tentativo di urlare un messaggio complesso attraverso un lungo tubo aggrovigliato senza che il suono venga attutito o ritardato.
Un team di ricercatori in Francia ha ora costruito un nuovo tipo di strumento che risolve questo problema, permettendo di inviare segnali elettrici ad alta velocità direttamente a un campione all'interno di un microscopio elettronico a trasmissione. Hanno progettato un supporto speciale, ovvero la parte del microscopio che tiene fermo il minuscolo campione, capace di trasportare questi segoli con una velocità e una chiarezza straordinarie. Invece di usare il metodo tradizionale di saldare i fili al campione, che può rallentare il segnale e renderlo confuso, hanno creato un sistema in cui il campione si incastra in posizione con semplici contatti metallici. Questo design permette di inviare segnali elettrici che si accendono e si spengono in meno di un miliardesimo di secondo. Hanno testato questo sistema inviando segnali che cambiavano direzione miliardi di volte al secondo e hanno scoperto che i segnali arrivavano al campione quasi esattamente come erano stati inviati, con una perdita minima di intensità o velocità. Ciò significa che il microscopio può ora "vedere" un campione che reagisce a impulsi elettrici molto più veloci di quanto fosse precedentemente possibile in questo tipo di configurazione.
I ricercatori non si sono fermati all'invio di segnali al campione; hanno usato la stessa tecnologia per controllare il fascio di elettroni stesso. In un microscopio standard, il fascio di elettroni è sempre acceso, come una torcia che non si spegne mai. Il team ha costruito un piccolo dispositivo che può agire come un interruttore per questo fascio, accendendolo e spegnendolo o orientandolo molto rapidamente. Utilizzando gli stessi segnali elettrici veloci sviluppati per il campione, sono stati in grado di creare una "finestra" temporale in cui il fascio di elettroni è attivo solo per una frazione infinitesima di secondo. Hanno dimostrato di poter creare un impulso di fascio che dura solo 100 picosecondi. Per dare un termine di paragone, se quell'impulso di 100 picosecondi venisse allungato per durare un secondo, un singolo secondo di tempo reale sembrerebbe durare tre anni. Questo livello di controllo permette al microscopio di scattare una "fotografia" di un campione in un momento specifico, congelando un processo che altrimenti sarebbe troppo veloce per essere visto.
Ciò che rende questo traguardo particolarmente significativo è che non sacrifica la qualità dell'immagine. Di solito, quando gli scienziati cercano di accelerare le cose o utilizzano apparecchiature elettriche complesse, le immagini risultanti diventano sfocate o perdono nitidezza. I ricercatori hanno testato il loro nuovo sistema scattando foto a minuscole particelle d'oro e hanno scoperto che le immagini rimanevano nitide e dettagliate proprio come quelle scattate con i metodi standard più lenti. Hanno persino usato il sistema per eseguire un tipo di imaging più avanzato chiamato olografia elettronica, che viene utilizzata per mappare campi magnetici ed elettrici invisibili. Hanno scoperto che, anche con il fascio che si accendeva e si spegneva così velocemente, il microscopio era ancora in grado di produrre mappe di questi campi chiare e di alta qualità. Questo dimostra che lo switching rapido non sconvolge le delicate informazioni trasportate dagli elettroni.
Il team ha anche dimostrato che il loro sistema è abbastanza flessibile da poter essere utilizzato in modi diversi. Hanno costruito supporti con due o quattro canali separati, il che significa che potevano inviare segnali elettrici diversi a parti diverse di un campione contemporaneamente, o persino inviare segnali diversi al campione e al dispositivo di orientamento del fascio simultaneamente. Questa configurazione apre la strada a un nuovo tipo di esperimento in cui una parte della macchina innesca un evento in un campione, e un'altra parte scatta una foto del risultato una frazione di secondo dopo. Poiché il sistema è interamente elettrico, evita la necessità di laser complessi o altre attrezzature ingombranti che solitamente rendono difficili da allestire questi esperimenti ultraveloci. I ricercatori riconoscono che il loro sistema attuale è limitato dalla velocità dei generatori elettronici utilizzati per creare i segnali, e che apparecchiature ancora più veloci potrebbero spingere ulteriormente i limiti. Tuttavia, il loro lavoro stabilisce una solida base, dimostrando che è possibile combinare il controllo elettrico ad alta velocità con i massimi livelli di dettaglio microscopico, aprendo la porta all'osservazione del funzionamento interno dei dispositivi più veloci del nostro mondo.
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