TiaSang
Thứ 3, Ngày 7 tháng 7 năm 2020
Đổi mới sáng tạo

Quan sát các tương tác lượng tử bằng kính hiển vi điện tử siêu nhanh

23/06/2020 07:30 -

Lần đầu tiên kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được sử dụng để quan sát các tương tác lượng tử kết hợp giữa điện tử tự do và hốc quang tử đã mở ra những hiểu biết mới về các tương tác lượng tử trong các linh kiện quang tử. Nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Technion - Israel đã phát triển công cụ dựa trên kính hiển vi điện tử truyền qua siêu nhanh cho phép quan sát được động học của ánh sáng khi bị bẫy trong các vật liệu nano quang tử. Công trình này có thể sẽ mở ra một xu hướng nghiên cứu mới trong quang tử học (photonics) với các khả năng quan sát trực tiếp các tương tác quang - lượng tử.


Hình 1. Ảnh chụp hệ thiết bị UTEM tại Viện Công nghệ Technion-Israel, được xây dựng từ thiết bị TEM JEOL JEM-2100 Plus.

Quang tử học và thử thách siêu nhanh

 

Quang tử học - photonics  là ngành khoa học kĩ thuật nghiên cứu về thu phát và điều khiển ánh sáng, đặc biệt là việc sử dụng ánh sáng như một công cụ mang thông tin. Quang tử học hứa hẹn tạo ra các linh kiện với tốc độ siêu nhanh nhờ tốc độ tương tác rất nhanh của ánh sáng. Trong một tinh thể quang tử (photonic crystal), tương tác giữa xung ánh sáng cực ngắn ở trường gần và điện tử tự do - các hạt với dải năng lượng liên tục (khác với điện tử nằm trong liên kết chỉ chiếm các mức năng lượng rời rạc) tạo ra rất nhiều hiệu ứng quang học phi tuyến. Vì các tương tác với xung ánh sáng diễn ra ở tốc độ rất nhanh việc ghi nhận các hình ảnh ở kích thước nano là một thử thách lớn.


Kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscope - TEM) là một công cụ quan sát và phân tích với độ phân giải siêu cao ở cấp độ nguyên tử. Chùm điện tử của TEM đồng thời có thể đóng vai trò như một nguồn sóng điện tử tự do cung cấp cho các tinh thể quang tử. Thế nhưng các thiết bị TEM thông thường - nơi mà các chùm điện tử là chùm sóng liên tục - thường có tốc độ ghi ảnh hay phổ khá chậm (từ micro, 10-6 đến mili 10-3 giây), nên nó không phải là công cụ được yêu thích trong các nghiên cứu về photonics, nơi cần tới khả năng phân giải thời gian lên tới pico (10-12) hay thậm chí femto (10-15) giây.

 

UTEM và con đường mới cho photonics

 

Nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Technion-Israel do  Ido Kaminer dẫn dắt đã tìm ra giải pháp kết hợp công cụ TEM cho nghiên cứu photonics bằng việc xử dụng thiết bị UTEM (Ultrafast TEM - TEM siêu nhanh - hình 1) để quan sát các cấu trúc nano photonics.1 UTEM là một thiết bị TEM sử dụng chùm xung điện tử cực ngắn (cỡ femto giây),2 cho phép ghi nhận ảnh và phân tích với độ phân giải thời gian lên tới femto giây. Để làm được điều này, chùm điện tử phát ra ở thiết bị TEM được sản sinh bằng cách dùng một xung ánh sáng cực mạnh kích thích lên cathode của nguồn điện tử (hình 2), vừa đồng thời đóng vai trò nguồn bức xạ ghi ảnh, đồng thời cũng là xung điện tử tự do để tác dụng lên mẫu vật. Xung ánh sáng này cũng kích thích mẫu - là một hốc quang tử SiN, vì vậy mà việc kích thích quang lên mẫu và quá trình ghi nhận ảnh, ghi phổ, được đồng bộ hóa bởi một xung ánh sáng gốc.



Hình 2. Nguyên lý thí nghiệm, trái: thiết bị UTEM với xung UV kích thích nguồn điện tử và kích thích mẫu vật; phải: tương tác trên mẫu bởi chùm điện tử tự do (sóng điện tử của UTEM) và xung ánh sáng, và tương tác quang này diễn ra trong hốc quang tử. Ảnh từ Nature 582, 50–54(2020).


Sự kết hợp tuyệt vời này cho phép nhóm nghiên cứu lần đầu tiên quan sát được tương tác lượng tử một cách trực tiếp diễn ra trong hốc quang tử bằng việc chụp ảnh siêu nhanh (hình 3). Kết hợp với ghi nhận phổ tổn hao năng lượng điện tử (Electron Energy Loss Spectroscopy - EELS) phân giải trong thời gian thực, thời gian sống của photon trong tương tác động với điện tử tự do cũng được đo đạc một cách chính xác.



Hình 3. Quan sát trực tiếp tương tác lượng tử trong hốc quang học bằng UTEM: a) Ảnh TEM của một lỗ trên màng SiN, b) Ảnh EFTEM của lỗ cho hình ảnh Bloch-mode của hốc quang học, c) các mode dao động của điện tử phản ánh xác suất chiếm chỗ của điện tử trong các mức năng lượng, d) hàm Rabi theo vị trí trong hốc, e) phổ EELSS đo theo từng vị trí trong hốc cho phép xác định cấu trúc vùng năng lượng trong hốc. Hình từ Nature 582, 50–54(2020)


Giáo sư Kaminer phấn khởi chia sẻ trên Phys.org:3 “Thành tựu này thậm chí sẽ trở nên ảnh hưởng lớn hơn nếu chúng tôi tiếp tục nghiên cứu các vật liệu quang tử nano khác. Với một kính hiển vi với độ phân giải siêu cao, chúng tôi đang bắt đầu một bước tiến mới (cho các nghiên cứu photonics)”. Cách tiếp cận mới này có thể mở ra một xu thế mới cho nghiên cứu photonics với những ứng dụng cực kỳ rộng mở, ví dụ trong các công nghệ QLED, hay máy tính quang - lượng tử... □

 

TS. Ngô Đức Thế (ĐH Manchester, Anh)

Tổng hợp từ Nature & Phys.org

 

Tham khảo và chú thích

1.  Wang et al., “Coherent interaction between free electrons and a photonic cavity”, Nature 582, 50–54(2020). Access: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2321-x

2.  UTEM thực chất là thiết bị đã được thương mại hóa, từ những phát kiến từ đầu những năm 2000 bởi nhóm nghiên cứu của Ahmed Zewail ở Caltech. Ahmed Zewail (1946 - 2016, nhà vật lý, hóa học người Ai Cập) được trao giải Nobel Hóa học năm 1999 cho những đóng góp trong nghiên cứu lý hóa ở tốc độ siêu nhanh.

Xem thêm: Lobastove at al., “Four-dimensional ultrafast electron microscopy”, PNAS 102, 7069-7073 (2005). https://doi.org/10.1073/pnas.0502607102

3. Phys.org 4/6/2020: https://phys.org/news/2020-06-one-of-a-kind-microscope-enables-breakthrough-quantum.html.

Tags: