บาคาร่าเว็บตรง นักวิจัยในสหรัฐอเมริกาได้เปิดเผยข้อมูลแถบแสงและอิเล็กทรอนิกส์ระดับนาโนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ 2 มิติ โดยใช้แสงที่มองเห็นได้ ด้วยการใช้เทคนิคการโฟกัสแบบไฮเปอร์โฟกัสที่พวกเขาพัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้ ทีมงานสามารถผลักดันให้เกินขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของแสงที่มองเห็นได้ เพื่อให้ได้ความละเอียดเพียงไม่กี่นาโนเมตร
พวกเขากล่าวว่าเทคนิคนี้สามารถช่วยอธิบาย
คุณสมบัติระดับนาโนของวัสดุ 2D และ 3D เพื่อปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับตัวเร่งปฏิกิริยา ควอนตัมออปติกและนาโนอิเล็กทรอนิกส์
วัสดุ 2D และ 3D ขั้นสูง เช่น ท่อนาโนคาร์บอนผนังด้านเดียว ถือได้ว่าเป็นข้อดีอย่างมากสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยุคหน้า ในการใช้งาน คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และทางแสงของวัสดุเหล่านี้ได้รับอิทธิพลจากสภาพแวดล้อมของวัสดุ เช่น ข้อบกพร่องเฉพาะที่ สายพันธุ์ การคัดกรองไดอิเล็กตริก และเอฟเฟกต์ควอนตัมที่สามารถเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพการทำงานได้ การระบุลักษณะรายละเอียดระดับนาโนที่ทำให้เกิดปัญหาเหล่านี้อาจเป็นเรื่องที่ท้าทาย แต่เนื่องจากคุณสมบัติสีและแสงของวัสดุนาโนเหล่านี้สัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ เทคนิคที่เรียกว่าการถ่ายภาพด้วยคลื่นความถี่สูง (hyperspectral Imaging) จึงสามารถแก้ปัญหาได้
การถ่ายภาพด้วยไฮเปอร์สเปกตรัมจะวิเคราะห์สเปกตรัมของทุกพิกเซลในฉากหนึ่งผ่านแถบความยาวคลื่นจำนวนมาก รายละเอียดแม่เหล็กไฟฟ้านี้สามารถใช้เพื่อรับข้อมูลทุกประเภท สำหรับวัสดุระดับนาโน มีความสำเร็จบางอย่างโดยใช้เทคนิคดังกล่าวกับความยาวคลื่นของแสงที่อยู่นอกช่วงที่มองเห็นได้ การขยายเทคนิคเหล่านี้ไปยังสเปกตรัมที่มองเห็นได้จะช่วยให้ตรวจสอบได้โดยตรงและทำให้เทคนิคง่ายขึ้น โดยไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงขั้นสูง ด้วยความยาวคลื่นไม่กี่ร้อยนาโนเมตร การใช้แสงที่มองเห็นได้เพื่อให้ได้ข้อมูลจากลักษณะเฉพาะที่มีขนาดเพียงไม่กี่นาโนเมตรจึงเป็นเรื่องยาก
การถ่ายภาพระดับนาโน
การเพิ่มความละเอียด: แสงสีขาวจากหลอดทังสเตนจะโฟกัสไปที่ปลายเส้นลวดนาโนสีเงิน (มารยาท: CC BY 4.0/ Nat. Commun. 10.1038/s41467-021-27216-5)
เพื่อแก้ไขปัญหานี้Ming Liuนักฟิสิกส์จาก University of California, Riverside และเพื่อนร่วมงานของเขาได้พัฒนาเทคนิคที่เรียกว่า super-focusing วิธีการนี้รวมใยแก้วนำแสงแบบเรียวเข้ากับคอนเดนเซอร์ลวดนาโนสีเงิน Liu เล่าให้ Physics World ฟัง ว่า “เราสามารถรวมแสงเกือบทั้งหมดจากใยแก้วนำแสงเข้ากับเส้นลวดนาโนสีเงินได้
หลิวอธิบายว่าเมื่อแสงเดินทางผ่านใยแก้วนำแสงที่เรียวยาว ความยาวคลื่นจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น เมื่อไปถึงจุดสิ้นสุดของใยแก้วนำแสง ความยาวคลื่นจะตรงกับคลื่นความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในเส้นลวดนาโนสีเงิน
อิเล็กตรอนอิสระบนเส้นลวดนาโนสีเงินจะถูกขับเคลื่อนด้วยพลังงานของแสงและเริ่มสั่น อิเล็กตรอนเหล่านี้จะพาพลังงานไปตามพื้นผิวของเส้นลวดนาโนสีเงิน ตามคำกล่าวของหลิว คุณสามารถจินตนาการได้ว่าสิ่งนี้เป็นเหมือนคลื่นในมหาสมุทรที่ถูกขับเคลื่อนด้วยพลังงานของลม ที่ปลายเส้นลวดนาโน จะเกิดจุดแสงขึ้น “เหมือนกับคลื่นที่เข้ามาในอ่าวและรูปร่างเรียวของมันทำให้เกิดสึนามิ” หลิวกล่าวเสริม
ทั้งหมดนี้หมายความว่าความละเอียดที่เป็นไปได้ไม่ถูกจำกัดด้วยความยาวคลื่นของแสงอีกต่อไป Liu อธิบายว่า “เราใช้คลื่นอิเล็กตรอนในการส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แทนที่จะเป็นโฟตอนของแสง “ตอนนี้ความยาวคลื่นสูงสุดถูกจำกัดโดยความยาวคลื่นของอิเล็กตรอน ซึ่งสั้นมาก: มาตราส่วนนาโนเมตร”
ในงานล่าสุดของพวกเขาที่อธิบายไว้ในNature Communications
นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าการใช้เทคนิคการโฟกัสแบบซุปเปอร์โฟกัสนี้ พวกเขาสามารถบรรลุความละเอียดเชิงพื้นที่ 6 นาโนเมตรโดยใช้ความยาวคลื่นอินฟราเรดใกล้ที่มองเห็นได้ (415–980 นาโนเมตร) ในขณะที่ตรวจสอบท่อนาโนคาร์บอนที่มีผนังด้านเดียว ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถระบุลักษณะรายละเอียดระดับนาโนเช่น chirality และโครงสร้างแถบไฟฟ้า
“เราแสดงให้เห็นสี แต่จริงๆ แล้ว สีถูกกำหนดโดยคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุ” Liu อธิบาย “ดังนั้น สิ่งที่เราอยากจะพูดจริงๆ ก็คือมันสามารถเห็นโครงสร้างของแถบไฟฟ้าได้” นั่นคือการเปลี่ยนผ่านระหว่างโครงสร้างแถบต่างๆ: ช่องว่างของแถบนั้นใหญ่แค่ไหน
ความสามารถในการอธิบายลักษณะรายละเอียดระดับนาโน – เมื่อเทียบกับประสิทธิภาพระดับโลก – ของวัสดุ 2D และ 3D จะช่วยในการพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงและเทคนิคใหม่ ๆ เช่น twistronics Liu กล่าว เขาและเพื่อนร่วมงานกำลังพยายามดูว่าพวกเขาสามารถผลักดันความละเอียดให้ต่ำถึง 1 นาโนเมตรได้หรือไม่
ข้อเสียคือต้องใช้ MEG ในห้องที่มีฉนวนป้องกันสนามแม่เหล็กพิเศษเพื่อลดสัญญาณรบกวนจากสนามแม่เหล็กจากสิ่งแวดล้อม ซึ่งมักจะมีลำดับความสำคัญสูงกว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจำนวนมาก (ซึ่งอยู่ในช่วง femtotesla ถึง picotesla) นอกจากนี้ ระบบ MEG ในปัจจุบันส่วนใหญ่ตรวจจับสนามเล็กๆ เหล่านี้โดยใช้อุปกรณ์รบกวนควอนตัมที่เป็นตัวนำยิ่งยวด (SQUID) ซึ่งต้องใช้เครื่องทำความเย็นแบบแช่แข็งขนาดใหญ่ ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถวางไว้ใกล้กับกะโหลกศีรษะ ซึ่งเป็นการจำกัดความละเอียดเชิงพื้นที่และเวลาของเครื่องสแกน MEG แบบ SQUID
ในช่วงเปลี่ยนสหัสวรรษ นักวิจัยได้พัฒนาทางเลือกที่เรียกว่า OPM “spin-exchange relax-free” (SERF) เวอร์ชันที่ใช้ในการศึกษาปัจจุบันประกอบด้วยก๊าซของอะตอมรูบิเดียม และปีเตอร์ ครูเกอร์ผู้นำกลุ่มระบบควอนตัมและอุปกรณ์ที่ซัสเซ็กซ์อธิบายว่าเมื่ออะตอมเหล่านี้มีการเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็กในท้องถิ่น พวกมันจะปล่อยแสงออกมาต่างกัน ดังนั้น เมื่อนักวิจัยฉายลำแสงเลเซอร์ไปที่อะตอม การผันผวนของแสงที่ปล่อยออกมาเผยให้เห็นการเปลี่ยนแปลงในกิจกรรมแม่เหล็กในสมอง
ในงานใหม่ Kruger นักศึกษาระดับปริญญาเอกAikaterini Gialopsouและสมาชิกคนอื่น ๆ ในทีมใช้ OPM-MEG เพื่อบันทึกรูปแบบสัญญาณประสาทในอวกาศในอาสาสมัครที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าทางสายตา จากนั้นจึงเปรียบเทียบรูปแบบเหล่านี้กับรูปแบบที่ได้จาก SQUID-MEG แบบเดิม ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเซ็นเซอร์ตัวใหม่นี้ติดตามสัญญาณสมองได้ดีกว่าทั้งในอวกาศและเวลา “เราค้นพบว่าเทคนิคการตรวจจับควอนตัมนี้สามารถรวมความละเอียดเชิงพื้นที่และเวลาได้สูง” พวกเขาอธิบาย “ในขณะที่เทคนิคก่อนหน้านี้สามารถค้นหาสัญญาณในสมองได้ แต่เทคนิคนี้เป็นวิธีแรกในการบันทึกจังหวะเวลาที่แม่นยำของสัญญาณสมอง” บาคาร่าเว็บตรง
