Filmare gli elettroni al lavoro

Fisici dell'Istituto di Ottica e Fisica Atomica hanno sviluppato una nuova procedura che consente di registrare immagini in movimento di processi periodici nel microscopio elettronico a trasmissione (MET). Tali processi sono ad esempio i commutatori in dispositivi elettronici moderni, le cosiddette nanostrutture semiconduttrici. Finora non era possibile ottenere "approfondimenti" più profondi in tali processi.

La novità della procedura sviluppata dal Dr. Tolga Wagner sotto la guida del Prof. Dr. Michael Lehmann consiste nel fatto che è riuscita a inventare una tecnica di otturazione o di chiusura completamente nuova, brevettata nel frattempo [1], per permettere "riprese cinematografiche" nel MET, o in altri termini, per filmare gli elettroni all’interno di un campione "durante il funzionamento". Ciò favorisce lo svelamento di processi fisici fondamentali come la dinamica delle cariche nei nanostrutture semiconduttrici.

"Nella microscopia elettronica si cerca sempre di mantenere le condizioni di misurazione il più stabili possibile", afferma il Dr. Tolga Wagner. I microscopi elettronici a trasmissione ad alta risoluzione sono molto sensibili a interferenze esterne come vibrazioni, instabilità termiche o fluttuazioni del campo elettromagnetico. Questo vale in modo particolare per l’olografia elettronica. Essa fornisce informazioni, ad esempio sulla distribuzione di potenziale all’interno di un campione, solo quando si verifica un’interferenza, cioè la sovrapposizione di due onde elettroniche coerenti, in modo da poter registrare un pattern di interferenza, ovvero un ologramma elettronico. Per questo, la "stabilità" delle onde elettroniche tra loro è una condizione necessaria.

Invece di mantenere le condizioni di misurazione il più stabili possibile, il Dr. Tolga Wagner e i suoi colleghi disturbano consapevolmente la misurazione e consentono l’interferenza solo per un breve periodo. Le informazioni generate in questo modo provengono esclusivamente dal periodo in cui si verifica l’interferenza. Da un lato, questo intervallo di tempo (quasi) può essere scelto arbitrariamente piccolo — risoluzioni temporali nell’ordine di picosecondi (un milionesimo di un battito di ciglia) sono realizzabili con uno sforzo gestibile. D’altro lato, l’impegno per sopprimere l’interferenza, grazie all’elevata sensibilità della configurazione rispetto a interferenze esterne, è minimo. "L’idea di base del nostro nuovo metodo consiste nel commutare molto rapidamente l’interferenza tramite disturbi mirati. Questo è il principio della nostra tecnica di chiusura, che abbiamo chiamato 'interference gating', cioè interruttore di interferenza", spiega il Dr. Tolga Wagner. La posizione e la larghezza del "grilletto" stesso determinano quando e per quanto tempo vengono registrate le informazioni. Con questa procedura, i fisici dell’Università Tecnica di Berlino sono riusciti ad aumentare la risoluzione temporale del microscopio elettronico a trasmissione, che si trova nel campus TU a Berlino-Charlottenburg e che è stato ottimizzato appositamente per la ricerca sull’olografia elettronica, da secondi a 25 nanosecondi [2]. Su queste scale temporali si verificano tra l’altro processi elettronici nei semiconduttori. "Con l’olografia elettronica a risoluzione temporale da noi sviluppata, ora è possibile filmare variazioni di potenziale dovute al movimento degli elettroni lungo il loro percorso attraverso i semiconduttori, che sono di soli alcuni nanometri (un milionesimo di millimetro)", afferma il Dr. Tolga Wagner.

[1] Michael Lehmann, Tore Niermann e Tolga Wagner. "METHOD AND APPARATUS FOR CARRYING OUT A TIME-RESOLVED INTERFEROMETRIC MEASUREMENT.", Numero di pubblicazione: EP3376522A1; TW201833521A; US2020103213A1; WO2018166786A1 (2018).
https://patentimages.storage.googleapis.com/3f/99/6a/e600762da71959/US20200103213A1.pdf
[2] Tolga Wagner, Tore Niermann, Felix Urban e Michael Lehmann. "Nanosecond electron holography by interference gating." Ultramicroscopy 206 (2019): 112824.
https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2019.112824

Per ulteriori informazioni, può contattarci con piacere:

Dr. Tolga Wagner
TU Berlin
Dipartimento di Fisica Sperimentale / Nanoottica di Elettroni e Ioni
Tel.: 030 314-24428
E-Mail: tolga.wagner@tu-berlin.de