Champs électromagnétiques de nanostructures visualisés en 3D pour la première fois – Technoguide

Que ce soit pour la microscopie, le stockage de données ou la technologie des capteurs, de nombreuses applications technologiques avancées qui nécessitent des fonctions spécifiques reposent sur la structure du champ électromagnétique à proximité des surfaces des matériaux. Dans les nanosystèmes, les phonons dits de surface, c’est-à-dire les distorsions temporelles du réseau atomique, contribuent de manière décisive aux propriétés physiques et thermodynamiques.

Si les phonons de surface pouvaient être spécifiquement manipulés, il serait possible d’obtenir une meilleure conduction thermique ou un meilleur transfert de chaleur entre deux composants avec des nanosurfaces. Cela pourrait être utilisé, par exemple, dans des détecteurs, des capteurs ou dans des systèmes de refroidissement passifs très efficaces. De plus, les phonons de surface concentrent l’énergie électromagnétique spectralement dans le domaine infrarouge lointain. Cela ouvre la voie à des objectifs de super-résolution, à une spectroscopie vibrationnelle améliorée ou à d’autres applications fascinantes.

Champs électromagnétiques au voisinage des nanostructures

Malgré son énorme potentiel, ce domaine de la physique du solide est encore mal exploré. Pour le développement de nouvelles nanotechnologies, ces domaines doivent d’abord être rendus visibles à l’échelle nanométrique. «La visualisation de ces champs locaux est le point de départ pour une compréhension plus approfondie des fondamentaux et pour une meilleure conception des nanostructures», atteste Gerald Kothleitner, directeur de l’Institut de microscopie électronique et de nanoanalyse à TU Graz. “Les microscopes électroniques suffisamment puissants pour enregistrer même l’énergie relativement faible des phonons n’ont été développés que quelques années auparavant. À ce jour, cependant, ils ne pouvaient être mesurés que de manière inadéquate, au mieux en deux dimensions.”

Première imagerie 3D de phonons de surface

Avec le Laboratoire de Physique des Solides (LPS) d’Orsay, Gerald Kothleitner, son collègue de l’institut Georg Haberfehlner et Ulrich Hohenester de l’Institut de Physique de l’Université de Graz ont réussi pour la première fois à imager des phonons de surface en trois dimensions. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.

Kothleitner, auteur correspondant de l’étude: «Nous avons excité ces vibrations du réseau avec un faisceau d’électrons, les avons mesurées avec des méthodes spectroscopiques spéciales, puis les avons reconstruites par tomographie. En conséquence, les champs de lumière infrarouge générés par les phonons de surface d’un magnésium le nanocube d’oxyde est devenu visible en trois dimensions pour la première fois, et la distribution spatiale était perceptible. En particulier, cela nous a également permis d’imager les sites avec des améliorations de champ élevées et les fortes interactions qui en résultent de certains phonons avec l’environnement. “

Le développement de la méthodologie et la mise en œuvre de la nouvelle reconstruction tomographique ont été réalisés sous la direction de l’Université de Graz. Ulrich Hohenester établit des parallèles entre l’image radiographique familière et le processus de tomographie par ordinateur: “Une reconstruction 3D de l’objet peut être créée à partir de nombreuses projections 2D composites.” Au lieu du faisceau de rayons X, les physiciens ont utilisé un faisceau d’électrons, qui interagit avec les champs de lumière infrarouge au lieu des os et des tissus. «Comme sur un violon ou une guitare», explique Hohenester, «les vibrations à la surface du nanocube sont décomposées en une série de résonances. Ces modes sont ensuite choisis pour obtenir le meilleur accord possible avec les données expérimentales».

Les techniques d’imagerie au microscope électronique comme facteur de réussite

La première évaluation complète et représentation 3D des champs électromagnétiques est un succès qui peut être attribué à l’étroite coopération de TU Graz et de l’Université de Graz dans le cadre de “NAWI Graz”. Un microscope électronique à balayage à transmission (STEM) de dernière génération a été utilisé pour mesurer ces interactions rayonnement-matière à l’échelle nanométrique. Il n’y a qu’une poignée de microscopes de ce type dans le monde qui permettent cela et l’un d’entre eux se trouve à Orsay.

Le concept d’imagerie 3D des phonons a été développé par Gerald Kothleitner en collaboration avec Orsay lors de la planification du projet d’un projet paneuropéen appelé ESTEEM 3: un projet dans lequel, entre autres, de nouvelles techniques de microscopie électronique sont en cours de développement. Dans le domaine de la spectroscopie appliquée par perte d’énergie électronique et de la tomographie électronique, les chercheurs de TU Graz font partie des principaux groupes de travail au monde.

Source de l’histoire:

Matériel fourni par l’Université de technologie de Graz. Original écrit par Susanne Eigner. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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