基于光纤微结构的电子枪将使纳米尺度的研究更容易

美国能源部橡树岭国家实验室和内布拉斯加州大学的科学家已经开发出一种更简单的方法来产生用于纳米尺度成像和传感的电子，这为材料科学、生物成像和基础量子研究提供了一个有用的新工具。

在《新物理杂志》（New Journal of Physics）上发表的一项研究中，研究人员报告说，通过光纤纳米尖端发射强烈的激光脉冲，会使尖端发射电子，从而产生一种可用于探测材料的快速“电子枪”。该设备允许研究人员从任何角度快速检查表面，相比现有的无法灵活移动的技术具有巨大的优势。

如上图所示，光穿过光纤激励纳米针尖中的金属电子形成称为表面等离子体子的振荡，并助力电子离开尖端。这种简单的电子纳米枪可以通过不同形式的材料组成和结构变得更加通用。

橡树岭国家实验室量子信息科学小组的Ali Passian说：“它是根据光激励的原理工作的，所以光进入金属中，以正确的方式刺激电子，使它们获得足够的能量出来。”。

电子是近距离观察材料表面特征的宝贵工具。亚原子粒子的波长比光子短，光粒子可以将物体放大到纳米级（十亿分之一米），分辨率比光的放大倍数要高。

自本世纪中叶以来，研究人员就用尖利的纳米尖端在紧密聚焦的光束中发射电子。与其他扫描电子显微镜技术相比，纳米尖端提供了更好的空间和时间分辨率，帮助研究人员更好地跟踪纳米尺度上正在进行的相互作用。在这些技术中，当光子激发尖端时，电子就会发射出来。

然而，在这项研究之前，纳米管的发射方法一直依赖于外部光刺激。为了产生电子，研究人员必须小心地将激光束对准纳米针尖的顶端。

内布拉斯加州大学（University of Nebraska）电子控制研究负责人、该研究的合著者赫尔曼•巴特兰（Herman batelan）说：“以前，激光必须跟踪尖端，这在技术上是一件非常困难的事情。”。这项任务的难度限制了图像应用时的拍摄速度和拍摄位置。

但是Passian有个不同的想法。通过通过一根柔性光纤发射激光，从内部照亮其锥形的金属涂层纳米尖端，他预言他可以创造出一种更容易操作的工具。

Passian说：“我们的想法是，因为这很简单，而且包含了从内部传播的光，所以你可以在不同的高度和侧面位置探测材料的不同部分。”。

为了弄清他的想法是否可行，Passian与Batelaan和内布拉斯加州大学的研究生Sam Keramati合作。内布拉斯加州的研究小组用飞秒激光将超短的强脉冲通过光纤射入真空室。在室内，光线穿过一个实验室制造的镀金纤维纳米管。

研究小组确实观察到了纳米针尖的受控电子发射。通过对数据的分析，他们提出，实现电子激发的机制并不是一个简单的机制，而是包括多种因素的组合。

一个因素是纳米针头的形状和金属涂层产生一个电场，有助于将电子推出尖端。另一个因素是纳米尖端的电场可以被特定波长的激光增强。

“通过将飞秒激光调谐到我们称之为表面等离子体共振波长的正确波长，我们发现我们获得了超过阈值的发射，” Keramati说。“表面等离子体共振意味着金属表面电子的集体振荡。当电子从光子吸收足够的能量以初始动能发射出去时，就会出现高于阈值的发射。”

为了验证电子是由光而不是热发射的，研究小组对纳米尖端进行了研究。在实验过程中，尖端没有受到损伤，这表明发射机制确实是光驱动的。

他们发现，这项新技术的另一个优点是，激光源的快速开关能力允许他们以超过纳秒的速度控制电子发射。这将为他们提供更好的方法以快速捕获图像。这样的图像可以像电影一样拼接在一起，在纳米尺度上追踪复杂的相互作用。

降低功耗

对这些初步发现感到满意，研究小组决定用一种功耗远低于日常激光笔的连续波激光器来测试他们是否能达到类似的结果。为了弥补激光功率的不足，他们提高了纳米针头处的电压，产生了一种他们认为有助于驱逐电子的能量势差。令他们惊讶的是，这起作用了。

尽管连续波激光器缺乏更强大的飞秒激光器的快速开关能力，但慢开关有其自身的优势，即可以更好地控制纳米尖端发射的电子的持续时间和数量。

事实上，这个团队证明了慢开关所提供的控制使电子发射在一种称为电子幽灵成像（electron ghost imaging）的未来应用所必需的范围内。最近的研究表明，光鬼影成像利用光的量子特性，在非常低的曝光率下，将光的量子特性应用到像活体生物细胞这样的图像敏感样品上。

通过将多个纤维纳米针头捆绑在一起，研究小组希望在纳米尺度上实现电子鬼像成像。

原文链接：https://phys.org/news/2020-09-fiber-optic-nanotip-electron-gun-enables.html