Новости космоса и технологий. » Физика » Прямая визуализация динамики электромагнитных волн с помощью безлазерной сверхбыстрой электронной микроскопии

Прямая визуализация динамики электромагнитных волн с помощью безлазерной сверхбыстрой электронной микроскопии

Опубликовал: Admin, 13-10-2020, 01:01, Физика, 63, 0

Прямая визуализация динамики электромагнитных волн с помощью безлазерной сверхбыстрой электронной микроскопии

Фемтосекундные лазеры могут быть интегрированы с электронными микроскопами для прямого изображения переходных структур и морфологии материалов в реальном времени и пространстве. В новом отчете Сюэвэнь Фу и группа ученых в области физики конденсированных сред, микросистем, нанотехнологий и материаловедения из Китая и США разработали безлазерный сверхбыстрый электронный микроскоп (UEM), предлагающий аналогичный потенциал, но без необходимых фемтосекундных лазеров или сложных инструментальные модификации. Команда создала пикосекундные электронные импульсы для исследования динамических событий путем прерывания непрерывного луча с помощью генератора импульсов, управляемого радиочастотой (RF), с частотой следования импульсов, настраиваемой от 100 МГц до 12 ГГц. Они впервые в этой работе изучали динамику распространения электромагнитных волн гигагерцового диапазона и выявили нестационарное колебательное электромагнитное поле в нанометровом пространстве и пикосекундных временных масштабах с разрешенными во времени поляризацией, амплитудой и усилением локального поля. Исследование показало использование безлазерной сверхбыстрой электронной микроскопии (UEM) в визуализации в реальном пространстве для междисциплинарных исследований, особенно в электродинамических устройствах, связанных с технологией обработки информации. Работа опубликована в Успехи науки .

Современная электронная микроскопия и сверхбыстрая электронная микроскопия без использования лазера

Современная электронная микроскопия может позволить исследователям получить изображения материи с атомным разрешением благодаря пикометровой длине волны пучков электронов высокой энергии, усовершенствованию методов коррекции аберраций и прямого обнаружения. Этот метод является центральным инструментом в Материаловедение к биологии , вместе с прогрессивными достижениями в электронной кристаллографии, томографии и крио-одночастичное изображение . Обычно электронный луч микроскопа создается термоэмиссионным или автоэмиссионным способом, и такие источники электронов создают статические изображения или изображения, полученные через длительные интервалы времени из-за ограничений, присущих обычным детекторам электронов. Продвинутый электронные микроскопы поэтому требуется сильное или большее временное разрешение для исследования путей реакции при физических и химических переходах за пределами детектора. В этой работе Fu et al. разработала сверхбыструю электронную микроскопию без использования лазера, объединив прототип генератора электронного луча, управляемого РЧ, для создания коротких электронных импульсов с настраиваемой частотой следования в диапазоне от 100 МГц до 12 ГГц. Этот метод позволит исследователям записывать сверхбыстрые изображения и обнаруживать различные паттерны структурных переходов.

Используя этот метод, исследовательская группа оптимизировала мощность и частоту входной радиочастоты (РЧ) для генератора импульсов для достижения временного разрешения в 10 пикосекунд (пс) в приборе и использовала тот же широкополосный настраиваемый радиочастотный сигнал для облегчения возбуждения образца. Во время первоначальной демонстрации его способности изучать сверхбыструю динамику Fu et al. провел исследование динамики распространения электромагнитных волн в микрополосковом образце с двумя встречно-гребенчатыми гребенками, которые являются основным строительным блоком радиочастотных микроэлектромеханических систем (MEMS). Объединив экспериментальные результаты с численное моделирование , команда продемонстрировала электродинамику распространения гигагерцовой электромагнитной (ЭМ) волны в микрополосковом 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 ограниченных размеров.

Концептуальный дизайн - новый прототип

В безлазерном UEM (сверхбыстром электронном микроскопе) система генерации импульсов с ВЧ-управлением соединена с Просвечивающий электронный микроскоп (ТЕМ). Импульсный генератор содержал два металлических гребенчатых полосковых элемента бегущей волны с небольшим режущим отверстием между ними. Когда импульсный генератор приводился в действие радиочастотным сигналом, команда записывала генерацию синусоидальной электромагнитной волны (ЭМ) в модулятор, при этом создавая осциллирующий импульс поперечного импульса для входящего непрерывного электронного пучка. Режущая диафрагма системы разделяла непрерывный пучок на периодические электронные импульсы. Используя нынешнюю конструкцию, они создали широкополосное электромагнитное поле с частотой от 50 МГц до 6 ГГц. Ученые проверили работу ПЭМ после интеграции генератора импульсов для записи набора изображений и результатов дифракции в режиме непрерывного луча и режиме импульсного луча. Команда исследовала светлопольные изображения наночастиц золота в обоих режимах, которые были сопоставимы как по профилю интенсивности, так и по контрасту. Сопоставимое качество изображения в режиме импульсного луча и режима непрерывного луча показало хорошие характеристики и универсальность нового прототипа UEM без лазера.


Моделирование распределения электрического поля

Чтобы лучше понять эксперименты, Fu et al. выполнили численное моделирование распространения электромагнитной волны в микрополоске двух встречно-гребенчатых гребенок с геометрией и материалами, аналогичными экспериментам, и выполнили моделирование с использованием пакета трехмерного анализа методом конечных элементов ЭМ. Команда наблюдала снимки смоделированного распределения электрического поля вокруг встречно-гребенчатых гребенок с разным временем задержки. Поскольку образец немагнитен, влияние магнитных полей в эксперименте было незначительным. По мере того, как электромагнитная волна распространялась через исследуемые гребенки с встречно-штыревыми гребнями, между промежутками гребней с гребенками возникало временное колебательное электрическое поле. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментами.

Таким образом, Сюевен Фу и его коллеги разработали безлазерный сверхбыстрый электронный микроскоп (UEM) с высоким разрешением в пространстве-времени, объединив импульсный генератор, управляемый радиочастотой (RF), с коммерческим просвечивающим электронным микроскопом (TEM). Используя безлазерный UEM, Fu et al. изучал процесс распространения гигагерцовой электромагнитной (ЭМ) длины волны в микрополоске, содержащей две встречно-гребенчатые гребенки. Команда продемонстрировала прямую визуализацию колебаний электромагнитного поля во времени, чтобы выявить амплитуду поля, направление поляризации и распространение волн в нанометрово-пикосекундном масштабе времени, что до сих пор было недоступно с помощью других методов визуализации. Без лазера UEM обеспечивает мощный путь к разбираться в электродинамике небольших устройств которые работают в диапазоне частот от мегагерц до гигагерца, такие как беспроводные антенны, датчики и радиочастотные микроэлектромеханические системы (MEMS). Дальнейшая оптимизация позволит субпикосекундным и даже фемтосекундным волновым пакетам обеспечить фемтосекундное временное разрешение для UEM без лазера. Эта работа будет иметь широкое значение от физики материалов до биологии и технологий мобильной связи.


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии