Схематическое изображение дифракции гелия от поверхности LiF, где двумерная дифракционная картина может быть сформирована путем изменения как вращения образца, так и исходящего угла обнаружения.
Фото: Мэтью Бергин и Ник фон Йейнсен.

Последние научные достижения открыли новые возможности для внимательного наблюдения за физическими явлениями. Исследователи из Кембриджского университета и Университета Ньюкасла недавно представили новый метод измерения дифракции атомов гелия с микроскопическим пространственным разрешением.

Этот метод, изложенный в статье в журнале Physical Review Letters, позволяет физикам изучать электроночувствительные материалы и лучше понимать их морфологию с помощью микродифракции гелия.

«Сканирующий гелиевый микроскоп разрабатывался несколькими исследовательскими группами уже более десяти лет с упором на улучшение разрешения прибора и изучение технологических и биологических образцов», — рассказал Phys.org Мэтью Бергин, соавтор статьи. «Однако относительно мало работы было сделано по использованию волнового аспекта гелиевого пучка для изучения упорядоченных поверхностей с помощью сканирующего гелиевого микроскопа».

Недавнее исследование Бергина и его коллег основано на одной из их предыдущих статей, опубликованных в журнале Scientific Reports в 2020 году.

В своей новой статье они намереваются продолжить свою работу в этой области. Основная цель их исследования заключалась в том, чтобы продемонстрировать, что волна материи на основе атомов может быть использована для формирования дифракционной картины из пространственно разрешенных областей поверхности.

«Из-за корпускулярно-волнового дуализма атомов луч гелия, направленный на решетку, может вести себя как волна и дифрагировать от периодической структуры», — сказал Бергин. «Тепловая энергия атомов гелия настолько мала (<100 мэВ), что полученная дифракционная картина гарантированно будет уникально чувствительна к структуре поверхности.

«Рассеяние атомов гелия — это хорошо зарекомендовавший себя метод, который использует положение и интенсивность этих дифракционных пиков для изучения поверхности образца, однако до сих пор эти исследования ограничивались однородными кристаллами размером не менее нескольких миллиметров».

В своих экспериментах Бергин и его коллеги использовали сканирующий гелиевый микроскоп, в котором для коллимации пучка гелия используется точечное отверстие. С помощью этого микроскопа и тщательно разработанной стратегии они смогли получить дифракционные картины с небольшой области (около 10 мкм) образца, несмотря на использование фиксированного детектора.

«Тщательно калибруя прибор, мы можем перемещать этапы позиционирования и вращения образца, чтобы изменять исходящий угол обнаружения и азимут образца, освещая одно и то же пятно», — объяснил Бергин. «В результате мы можем построить исключительно чувствительную к поверхности дифракционную картину на небольшой освещенной области образца».

Недавняя работа этой исследовательской группы демонстрирует возможность использования атомов для сбора дифракционной картины из микроскопической области на поверхности образца. Предложенный ими метод может быть использован другими физиками для изучения дифракционных картин и получения новой информации о материалах, которые невозможно точно изучить с помощью традиционных методов рассеяния атомов.

«Возможности инструмента с пространственным разрешением в сочетании с превосходной поверхностной чувствительностью теперь позволяют нам использовать рассеяние атомов для измерения свойств материалов небольших образцов с интересными особенностями поверхности, таких как чешуйки двумерных материалов», — добавил Бергин.

«В Кембриджском университете уже началась работа по применению этой методики для измерения дифракции на чешуйках 2D-материалов. Тем временем коллеги из Университета Ньюкасла разрабатывают новую измерительную платформу, которая может напрямую перемещать детектор для сбора дифракционных картин без каких-либо усилий».