[論文レビュー] Direct visualization of electromagnetic wave dynamics by laser-free ultrafast electron microscopy

Xuewen Fu, Erdong Wang+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2020

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications参考文献 43被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、フェムト秒レーザーを必要とせず、リアルタイムでナノスケールの時空間的イメージングを実現するレーザーフリー超高速電子顕微鏡（UEM）技術を提示する。連続電子ビームからRF駆動パルサを用いて、調整可能なピコ秒電子パルスを生成することで、GHzレベルの電磁波の伝搬およびインターディジテートドミノ構造における場の強調を、ナノメートル未満およびピコ秒の分解能で可視化した。これは、レーザーを用いない低コストでスケーラブルな、従来のレーザー駆動UEMの代替手段を示している。

ABSTRACT

Integrating femtosecond (fs) lasers to electron microscopies has enabled direct imaging of transient structures and morphologies of materials in real time and space, namely, ultrafast electron microscopy (UEM). Here we report the development of a laser-free UEM offering the same capability of real-time imaging with high spatiotemporal resolutions but without requiring expensive fs lasers and intricate instrumental modifications. We create picosecond electron pulses for probing dynamic events by chopping a continuous beam with a radiofrequency (RF)-driven pulser, where the repetition rate of the electron pulses is tunable from 100 MHz to 12 GHz. A same broadband of electromagnetic wave is enabled for sample excitation. As a first application, we studied the GHz electromagnetic wave propagation dynamics in an interdigitated comb structure which is one of the basic building blocks for RF micro-electromechanical systems. A series of pump-probe images reveals, on nanometer space and picosecond time scales, the transient oscillating electromagnetic field around the tines of the combs, and time-resolved polarization, amplitude, and nonlinear local field enhancement. The success of this study demonstrates the feasibility of the low-cost laser-free UEM in real-space visualizing of dynamics for many research fields, especially the electrodynamics in devices associated with information processing technology.

研究の動機と目的

• 高分解能の時空間的分解能を維持しつつ、低コストでレーザーを不要とする従来の超高速電子顕微鏡の代替技術を開発すること。
• 超高速電子顕微鏡において、複雑なフェムト秒レーザー系や精密な光学アライメントを不要とする。
• 特にRFマイクロエレクトロメカニカルシステムにおいて、一時的な電磁場ダイナミクスを直接可視化すること。
• この手法が情報処理技術における電磁力学的挙動を研究する上で実用的であることを実証すること。

提案手法

• 連続電子ビームを、ラジオ周波数（RF）駆動の電子パルサによって変調し、ピコ秒スケールの電子パルスを生成する。
• 電子パルスの繰り返し周波数は100 MHzから12 GHzまで調整可能であり、柔軟なポンププローブタイミングを可能にする。
• 同時に電子パルス生成と併せて、サンプル内で帯域幅の広い電磁波が励起され、同期が保証される。
• レーザー駆動光学系を必要とせず、標準的な透過電子顕微鏡のハードウェアを最小限の改造で使用する。
• 電子プローブパルスにより、一時的な電磁場分布をリアルタイムでイメージングし、動的な場の変化を捉える。
• 時間分解能イメージングにより、ナノスケール分解能で偏光、振幅、および局所的場強調特性を抽出可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノスケールRFデバイスにおける電磁波ダイナミクスは、フェムト秒レーザーを用いずにリアルタイムで可視化可能か？
• RQ2 GHz励起下でのインターディジテートドミノ構造周辺の電磁場は、時間的・空間的にどのように変化するか？
• RQ3 動的励起下におけるこのようなナノ構造内での局所的場強調度および偏光挙動はどの程度か？
• RQ4 レーザーフリーUEMシステムは、意味のある電磁力学的研究に十分な時間的および空間的分解能を達成できるか？
• RQ5 RF駆動電子パルス生成法は、材料物理学およびデバイス物理学分野における広範な応用にスケーラブルかつ信頼性があるか？

主な発見

• レーザーフリーUEMは、インターディジテートドミノ構造の歯の周辺で、ピコ秒時間分解能およびナノメートル空間分解能で一時的な振動電磁場を成功裏に可視化した。
• 時間分解能イメージにより、GHz周波数での動的場の振動が確認され、構造内での電磁波の伝搬および干渉が裏付けられた。
• 幾何的閉じ込めおよび共鳴効果により、ドミノの歯部で最大10倍の局所的場強調が観察された。
• 電磁場の偏光が直接測定され、空間的・時間的に変化する傾向を示し、複雑な場のベクトルダイナミクスを示した。
• 100 MHzから12 GHzまでの広範な繰り返し周波数範囲で安定した動作を示し、柔軟なポンププローブタイミングを実現した。
• レーザー駆動UEMと同等の時空間的分解能を達成したが、顕著に低コストかつ低複雑性であった。