Прямая визуализация динамики электромагнитных волн методом без лазерной сверхбыстрой электронной микроскопии

Фемтосекундные лазеры могут быть интегрированы с электронными микроскопами для непосредственного изображения переходных структур и морфологий в материалах в реальном времени и пространстве. В новом докладе Xuewen fu и группа ученых в области физики конденсированных сред, микросистем, нанотехнологий и материаловедения в Китае и США разработали без лазерного сверхбыстрый электронный микроскоп (УЭМ), обладающий аналогичным потенциалом, но без необходимых фемтосекундных лазеров или сложных инструментальных модификаций. Команда создала пикосекундные электронные импульсы для зондирования динамических событий путем измельчения непрерывного пучка с помощью радиочастотного импульсного генератора с частотой следования импульсов, перестраиваемой от 100 МГц до 12 ГГц. Впервые в данной работе они исследовали динамику распространения гига-герцовых электромагнитных волн в качестве приложения и выявили переходное колебательное электромагнитное поле в нанометровом пространстве и пикосекундном масштабе времени с разрешенной во времени поляризацией, амплитудой и локальным усилением поля. Исследование показало использование без лазерной сверхбыстрой электронной микроскопии (УЭМ) в визуализации реального пространства для междисциплинарных исследований-в частности, в электродинамических устройствах, связанных с технологией обработки информации. Современная электронная микроскопия и без лазерной сверхбыстрой электронной микроскопии.

Система UEM без лазера. А) схема концептуального проекта БЕЗЛАЗЕРНОГО УЭМ. Показана ТЭМ с интеграцией Управляемой импульсной системы и удвоенной Схемы с регулируемой задержкой для возбуждения образца. Импульсный генератор вставляется между электронной пушкой и стандартной колонной линз. На врезке показана принципиальная схема импульсного генератора, состоящего из двух металлических гребенчатых полосовых элементов бегущей волны: модулятора К1 и демодулятора К2, с разделительной апертурой между ними. Модулятор К1 пропускает непрерывный электронный пучок через разделительную апертуру для создания двух электронных импульсов в каждом радиочастотном цикле, в то время как демодулятор К2 компенсирует индуцированный К1 поперечный импульс на импульсах для дальнейшего исправления формы разделенного пучка. (Б) фотография нашей достроенной без лазерной UEM-системы на базе JEOL JEM-2100F Lorentz TEM. Показаны ТЭМ с приводом импульсного генератора, вставленного между электронной пушкой и стандартной колонной объектива и подключенного источника ВЧ. На вставке показано изображение модулятора К1, демодулятора К2 и разделительной диафрагмы внутри пульсатора. Фото: Xuewen fu, физический факультет Ханкайского университета.

Современная электронная микроскопия может позволить исследователям получать изображения вещества с атомным разрешением за счет пикнометрической длины волны высокоэнергетических электронных пучков, достижений в области коррекции аберраций и методов прямого обнаружения.

Этот метод является центральным инструментом в области материаловедения и биологии наряду с прогрессивными достижениями в области электронной кристаллографии, томографии и крио-одночастичной визуализации. Обычно электронный пучок микроскопа создается термоэлектронным или полевым эмиссионным процессом, и такие источники электронов производят статические изображения или те, которые захватываются через длительные промежутки времени из-за присущих обычным детекторам электронов ограничений. Усовершенствованные электронные микроскопы поэтому требуется сильное или большее временное разрешение для исследования реакционных путей в физических и химических переходах за пределами детектора. В этой работе фу и др. разработал свободную от лазера сверхбыструю электронную микроскопию, объединив прототип ВЧ-управляемого импульсного электронного пучка для создания коротких электронных импульсов с перестраиваемой частотой повторения в диапазоне от 100 МГц до 12 ГГц. Этот метод позволит исследователям записывать сверхбыстрые изображения и обнаруживать различные паттерны структурных переходов.

Образец моделирования микро полоски из двух взаимопересекавшихся гребенок с одинаковой геометрией и материалами, использованными в эксперименте для численного моделирования.

Используя этот метод, исследовательская группа оптимизировала входную радиочастотную мощность и частоту импульсного генератора для достижения временного разрешения 10 пикосекунд (ПС) в приборе и использовала тот же широкополосный перестраиваемый радиочастотный сигнал для облегчения возбуждения образца. Во время первых демонстраций его способности изучать сверхбыструю динамику, Fu et al. Проведено насосно-зондовое исследование динамики распространения электромагнитных волн в микро полосковом образце с двумя меж полосковыми гребнями-базовом строительном блоке радиочастотных микро электромеханических систем (МЭМС). Комбинируя экспериментальные результаты, численное моделирование показало электродинамику распространения гига-герцовой электромагнитной волны (ЭМ) в микро полосковом образце. Это явление может существенно повлиять на функциональность большинства устройств обработки информации и других методов визуализации, которые в настоящее время остаются недоступными для визуализации из-за сужения размеров.

Концептуальный проект-новый прототип.

В без лазерного UEM (сверхбыстром электронном микроскопе) радиочастотная импульсная система взаимодействует с просвечивающим электронным микроскопом (TEM). Генератор импульсов содержал два металлических элемента бегущей волны с небольшим разделительным отверстием между ними. Когда генератор импульсов приводился в действие радиочастотным сигналом, команда регистрировала генерацию синусоидальной электромагнитной волны (ЭМ) в модуляторе, одновременно вводя осциллирующий поперечный импульс удара к входящему непрерывному электронному пучку. Разделительная апертура системы разделяла непрерывный пучок на периодические электронные импульсы. Используя существующую конструкцию, они создали Широкополосное электромагнитное поле с частотой от 50 МГц до 6 ГГц. Ученые проверили работоспособность ТЭМ после интеграции пульсатора для записи набора результатов визуализации и дифракции в режиме непрерывного пучка и импульсного пучка. Команда исследовала изображения наночастиц золота в ярком поле в обоих режимах, которые были сопоставимы как по профилю интенсивности, так и по контрасту. Сопоставимое качество изображения между режимом импульсного пучка и режимом непрерывного пучка показало хорошую производительность и универсальность нового прототипа UEM без лазера.

Сравнение качества изображения и дифракции между режимом непрерывного пучка и режимом импульсного пучка. Изображения и дифракционные картины, полученные в режиме непрерывного пучка: (а) ярко полное изображение наночастиц золота, (Б) дифракционная картина наночастиц золота, (в) дифракционная картина монокристалла VO2 (вдоль оси зоны [010]) и (г) вне фокуса фазовое изображение Френеля магнитного вихря в круговом ферромагнитном диске пермаллоя. Изображения и дифракционные картины, полученные в лучевом режиме с частотой следования 5,25 ГГц: (Д) ярко полное изображение наночастиц золота, (Е) дифракционная картина наночастиц золота, (г) дифракционная картина монокристалла VO2 (вдоль оси зоны [010]) и (з) внефокусное фазовое изображение Френеля магнитного вихря в круговом ферромагнитном диске пермаллоя.

Оптимизация эксперимента и доказательство концепции.

Разрешение свободной от лазера УЭМ зависело от длительности импульсов рубленых электронов, которая, в свою очередь, зависела от рабочего цикла рубленого электронного пучка. Fu et al. Варьировал этот параметр, независимо изменяя входную частоту ВЧ-мощности и / или размер режущей апертуры. В принципе, они могли бы использовать более высокую входную мощность ВЧ и более высокую частоту ВЧ с меньшей апертурой измельчения для достижения более коротких, а также пикосекундных или фемтосекундных электронных импульсов для дальнейшего улучшения качества и разрешения изображений. Затем команда продемонстрировала сверхбыструю измерительную способность зонда накачки UEM без лазера, чтобы понять колебательные токи и поля, необходимые для работы практически любого устройства обработки информации. Fu et al. Впервые отмечены разрешенные по времени изображения распространения ЭМ в межпальцевой гребенчатой структуре при увеличении 1200х, с интегральным временем 1,5 секунды. Затем они исследовали зависимость динамики распространения электромагнитных волн от мощности возбуждения, где амплитуда увеличивалась с увеличением мощности возбуждения.

Дыхание в реальном времени одного активного зубца и двух соседних заземляющих зубцов в меж зубчатой гребенчатой структуре при возбуждении электромагнитной волны частотой 5,25 ГГц (мощность ~1 Вт).

Смоделированное распределение электрического поля.

Чтобы лучше понять эти эксперименты, Fu et al. Проведено численное моделирование распространения электромагнитной волны в микро полосе из двух взаимно пересекавшихся гребенок с аналогичной геометрией и материалами к экспериментам, а также проведено моделирование с использованием пакета 3-D EM finite element analysis package. Команда наблюдала моментальные снимки смоделированного распределения электрического поля вокруг меж зубчатых гребней в разное время задержки. Поскольку образец не магнитен, воздействие магнитных полей в эксперименте было незначительным. По мере распространения электромагнитной волны через исследуемые межпальцевые гребни между промежутками межпальцевых гребней возникало временное колебательное электрическое поле. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментами.

Численное моделирование динамики распространения электромагнитной волны в двух взаимо пересекавшихся гребнях. А) типичные снимки моделируемого распределения электрического поля (проецируемого в плоскости x-y при средней толщине гребня) вокруг активного и заземленного зубцов с различными временами задержки (фильм S2). Стрелки указывают направление электрических полей с закодированным цветом для напряженности поля. В) графики электрического поля Ex в зависимости от времени в трех репрезентативных положениях (P1, P2 и P3) вокруг зубца заземления. Напряженность поля вблизи угла зубца сильнее, чем в других положениях, что указывает на локальное усиление поля вблизи угла. С) графики соответствующего электрического поля Ey в зависимости от времени в трех репрезентативных положениях. Напряженность поля Ey при P1 почти равна нулю, а напряженность поля Ex при P3 почти равна нулю, что указывает на то, что установленные локальные векторы поля расположены вертикально к поверхностям зубца вдоль направления прохождения луча. D) график напряженности электрического поля |Ex| (в абсолютном значении) в зависимости от положения вдоль красной линии со стрелкой (врезкой) вблизи поверхности заземляющего зубца. Резкое увеличение напряженности поля вблизи угла (положение Р2) указывает на заметное локальное усиление поля. Напряженность поля во вставке имеет цветовую кодировку с цветовой полосой во вставке.

Таким образом, Xuewen fu и его коллеги разработали без лазерного сверхбыстрый электронный микроскоп (UEM) с высоким разрешением в пространстве-времени, объединив управляемый (RF) импульсный генератор с коммерческим просвечивающим электронным микроскопом (TEM). Используя без лазерного UEM, Fu et al. Исследован процесс распространения гига-герцовой электромагнитной волны (ЭМ) в микро полосе, содержащей две интегрированные гребенки.

Команда продемонстрировала прямую визуализацию колебаний электромагнитного поля со временем, чтобы выявить амплитуду поля, направление поляризации и распространение волн в нано-метрово-пикосекундном масштабе времени, который до сих пор был недоступен с помощью других методов визуализации. UEM без лазера обеспечивает мощный путь для понимания электродинамики в небольших устройствах они функционируют на мегагерцах и гига-герцовых частотах, таких как беспроводные антенны, датчики и радиочастотные микро электромеханические системы (МЭМС). Дальнейшая оптимизация позволит пикосекундным и даже фемтосекундным волновым пакетам обеспечить фемтосекундное временное разрешение для без лазерных UEM. Эта работа будет иметь широкие последствия для физики материалов, биологии и технологий мобильной связи.