Para diseñar y mejorar materiales de almacenamiento de energía, dispositivos inteligentes y muchas más tecnologías, los investigadores deben comprender su estructura y química ocultas. Las técnicas de investigación avanzadas, como las imágenes por difracción de electrones ultrarrápidos pueden revelar esa información. Ahora, un grupo deInvestigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han desarrollado una versión nueva y mejorada de difracción de electrones en la Instalación de prueba del acelerador de Brookhaven ATF, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que ofrece instrumentación experimental avanzada y única para estudiaraceleración a investigadores de todo el mundo. Los investigadores publicaron sus hallazgos en Informes científicos , una revista de acceso abierto de Nature Research.
Avanzar en una técnica de investigación como la difracción de electrones ultrarrápida ayudará a las generaciones futuras de científicos de materiales a investigar los materiales y las reacciones químicas con nueva precisión. Muchos cambios interesantes en los materiales ocurren extremadamente rápido y en espacios pequeños, por lo que se necesitan técnicas de investigación mejoradas paraestudiarlos para futuras aplicaciones. Esta nueva y mejorada versión de la difracción de electrones ofrece un trampolín para mejorar varias técnicas de investigación relacionadas con el haz de electrones y la instrumentación existente.
"Implementamos nuestro nuevo sistema de enfoque para haces de electrones y demostramos que podemos mejorar la resolución significativamente en comparación con la técnica de solenoide convencional", dijo Xi Yang, autor del estudio y físico de aceleradores en National Synchrotron Light Source II NSLS-II, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab. "La resolución depende principalmente de las propiedades de la luz, o en nuestro caso, del haz de electrones. Esto es universal para todas las técnicas de imágenes, incluida la microscopía ópticay las imágenes de rayos X. Sin embargo, es mucho más difícil enfocar los electrones cargados a un haz parecido a un lápiz casi paralelo en la muestra de lo que sería con la luz, porque los electrones están cargados negativamente y, por lo tanto, se repelen entre sí.llamado efecto de carga espacial. Al usar nuestra nueva configuración, pudimos superar el efecto de carga espacial y obtener datos de difracción que son tres veces más brillantes y dos veces más nítidos; es un gran salto en la resolución ".
Cada configuración de difracción de electrones utiliza un haz de electrones que se enfoca en la muestra para que los electrones reboten en los átomos de la muestra y viajen más al detector detrás de la muestra. Los electrones crean un llamado patrón de difracción, que puede sertraducido en la composición estructural de los materiales a nanoescala. La ventaja de usar electrones para obtener imágenes de esta estructura interna de materiales es que el llamado límite de difracción de electrones es muy bajo, lo que significa que los científicos pueden resolver detalles más pequeños en la estructura en comparación con otrosmétodos de difracción.
Se necesitaba un equipo diverso de investigadores para mejorar un método de investigación tan complejo. El equipo de Brookhaven Lab estaba formado por expertos en haces de electrones del NSLS-II, expertos en aceleradores de electrones de ATF y expertos en ciencia de materiales de la física de la materia condensada y la ciencia de los materialesCMPMS departamento.
"Este avance no hubiera sido posible sin la combinación de toda nuestra experiencia en Brookhaven Lab. En NSLS-II, tenemos experiencia en cómo manejar el haz de electrones. El grupo ATF aportó la experiencia y las capacidades del cañón de electrones ytecnologías láser, las cuales eran necesarias para crear el haz de electrones en primer lugar. Y el grupo CMPMS tiene la experiencia en muestras y, por supuesto, impulsa las necesidades de la aplicación. Esta es una sinergia única y, juntos, pudimosmuestran cómo la resolución de la técnica se puede mejorar drásticamente ", dijo Li Hua Yu, físico sénior de aceleradores de NSLS-II y coautor del estudio.
Para lograr su resolución mejorada, el equipo desarrolló un método diferente para enfocar el haz de electrones. En lugar de utilizar un enfoque convencional que involucra imanes de solenoide, los investigadores utilizaron dos grupos de imanes de cuatro cuadrupolos para sintonizar el haz de electrones. En comparación con los imanes de solenoide, que actúan como una sola lente para dar forma al rayo, los imanes cuadrupolos funcionan como un sistema de lentes especializado para los electrones, y les dieron a los científicos mucha más flexibilidad para sintonizar y dar forma al rayo de acuerdo con las necesidades de su experimento.
"Nuestro sistema de lentes puede proporcionar una amplia gama de sintonización del haz. Podemos optimizar los parámetros más importantes, como el tamaño del haz o la densidad de carga y la divergencia del haz en función de las condiciones experimentales y, por lo tanto, proporcionar la mejor calidad de haz paralas necesidades científicas ", dijo Yang.
El equipo puede incluso ajustar los parámetros sobre la marcha con herramientas de optimización en línea y corregir cualquier falta de uniformidad de la forma del haz; sin embargo, para hacer posible esta medición, el equipo necesitaba el excelente haz de electrones que proporciona ATF. ATF tiene un electrónpistola que genera un haz de electrones extremadamente brillante y ultracorto, que ofrece las mejores condiciones para la difracción de electrones.
"El equipo usó una pistola de fotocátodo que genera los electrones a través de un proceso llamado fotoemisión", dijo Mikhail Fedurin, un físico de aceleradores en ATF. "Disparamos un pulso láser ultracorto en un cátodo de cobre, y cuando el pulso golpea el cátodo unSe forma una nube de electrones sobre el cobre. Extraemos los electrones utilizando un campo eléctrico y luego los aceleramos. La cantidad de electrones en uno de estos pulsos y nuestra capacidad para acelerarlos a energías específicas hacen que nuestro sistema sea atractivo para la investigación de la ciencia de los materiales.particularmente para la difracción ultrarrápida de electrones. "
El sistema de enfoque junto con el haz de electrones ATF es muy sensible, por lo que los investigadores pueden medir las influencias del campo magnético de la Tierra en el haz de electrones.
"En general, los electrones siempre están influenciados por campos magnéticos; así es como los dirigimos en los aceleradores de partículas en primer lugar; sin embargo, el efecto del campo magnético de la Tierra no es despreciable para el haz de baja energía que usamos en este", dijo Victor Smalyuk, líder del grupo de física del acelerador NSLS-II y coautor del estudio." El rayo se desvió de la trayectoria deseada, lo que creó dificultades durante la fase inicial, por lo que tuvimos que corregir este efecto ".
Más allá del alto brillo del haz de electrones y la alta precisión del sistema de enfoque, el equipo también necesitaba la muestra correcta para realizar estas mediciones. El grupo CMPMS proporcionó al equipo una película de oro policristalino para explorar completamente el sistema de lentes de nuevo diseñoy ponerlo a prueba.
"Hicimos la muestra depositando los átomos de oro en una película de carbono de varios nanómetros de espesor utilizando una técnica llamada evaporación térmica", dijo Junjie Li, un físico del departamento de CMPMS. "Evaporamos las partículas de oro para que se condensaran en el carbono.película y forman nanopartículas diminutas y aisladas que se fusionan lentamente y forman la película policristalina ".
Esta película fue esencial para las mediciones porque tiene cristales orientados aleatoriamente que se fusionan. Por lo tanto, la estructura interna de la muestra no es uniforme, sino que consta de muchas áreas orientadas de manera diferente, lo que significa que el patrón de difracción depende principalmente del electrón.cualidades del haz. Esto les da a los científicos el mejor terreno para probar realmente su sistema de lentes, sintonizar el haz y ver el impacto de su sintonización directamente en la calidad de la medición de difracción.
"Inicialmente nos propusimos mejorar la difracción de electrones para estudios científicos de materiales, pero también descubrimos que esta técnica puede ayudarnos a caracterizar nuestro haz de electrones. De hecho, la difracción es muy sensible a los parámetros del haz de electrones, por lo que podemos usar lapatrón de difracción de una muestra conocida para medir los parámetros de nuestro haz de manera precisa y directa, lo que generalmente no es tan fácil ", dijo Yang.
El equipo tiene la intención de seguir mejorando y ya tiene planes para desarrollar otra configuración para microscopía electrónica ultrarrápida para visualizar directamente una muestra biológica.
"Esperamos lograr imágenes ultrarrápidas de haz de electrones de disparo único en algún momento y tal vez incluso hacer películas moleculares, lo que no es posible con nuestra configuración actual de imágenes de haz de electrones", dijo Yang.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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