بررسی امواج گیگاهرتزی در نانوساختارها با میکروسکوپ فوق سریع

به گزارش روز یکشنبه گروه علم و آموزش از تارنمای فیز، سونوگرافی به طور معمول در کلینیک‌ها و بیمارستان‌ها برای تصویربرداری از اندام‌های داخلی و نوزادان در رحم استفاده می‌شود. امواج صوتی مورد استفاده می‌توانند ساختارهای بسیار کوچک را شناسایی کنند، در حالی که چنین وضوح برای تصویربرداری پزشکی خوب است، فیزیکدانان تلاش دارند از این امواج صوتی برای تصویربرداری از مواد در ابعاد نانومتری استفاده کنند.

آسوکا ناکامورا از مرکز علوم مواد نوظهور ریکن (CEMS) در ژاپن توضیح داد: اگر بتوانیم از امواج صوتی استفاده کنیم که دارای طول موج در حدود ۱۰۰ نانومتر باشد، می‌توانیم از آنها برای بازرسی از مواد مانند یافتن نقص استفاده کنیم اما حساسیت به نقص‌های کوچک واقعاً به طول موج بستگی دارد.

وی افزود: این موضوع نیاز به تولید و تشخیص امواج صوتی دارد که دارای طول موج بسیار کمتری هستند (از این رو فرکانس‌های بالاتر دارند). ایجاد چنین امواج صوتی با فرکانس بالا نسبتاً آسان است، از پالس‌های لیزر بسیار کوتاه برای تولید آنها در فلزات و نیمه هادی‌ها برای چندین دهه استفاده شده است اما تشخیص آن‌ها بسیار چالش برانگیز است زیرا نیاز به توسعه شناساگرهایی دارد که قادر به دستیابی به وضوح نانومتر در فضا و پیکو ثانیه هستند.

ناکامورا به همراه همکاران خود، تاکاهیرو شیموجیما و کیوکو ایشیزاکا، ظرفیت نوع خاصی از میکروسکوپ الکترونی را برای تصویربرداری از چنین امواج صوتی با فرکانس فوق‌العاده نشان دادند. نتایج این تحقیق در نشریه علمی Nano Letters منتشر شده است.

آنها از میکروسکوپ الکترونی عبوری فوق‌العاده سریع (UTEM) برای تشخیص امواج صوتی تولید شده توسط یک حفره‌ای ۲۰۰ نانومتری در مرکز صفحه سیلیکون بسیار نازک استفاده کردند. این میکروسکوپ از دو پرتو لیزر با تأخیر اندکی بین آنها استفاده می‌کند. یک پرتو به نمونه تابیده می‌شود، در حالی که دیگری پالس بسیار کوتاه الکترون در میکروسکوپ تولید می‌کند. این ترفند باعث می‌شود که مسئله بازه‌های زمانی بسیار کوتاه حل شوند.

کیفیت تصاویر گرفته شده فراتر از انتظارات محققان بود و به آن‌ها امکان می‌دهد تجزیه و تحلیل ترانسفر فوریه را انجام دهند. محققان اکنون قصد دارند دینامیک ساختاری و مغناطیسی فوق‌العاده سریع را در مواد جامد در مقیاس نانومتری را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری فوق‌العاده سریع بررسی کنند.