美國能源部橡樹嶺國家實驗室和內(nèi)布拉斯加州大學的科學家已經(jīng)開發(fā)出一種更簡單的方法來產(chǎn)生用于納米尺度成像和傳感的電子，這為材料科學、生物成像和基礎量子研究提供了一個有用的新工具。

在《新物理雜志》（New Journal of Physics）上發(fā)表的一項研究中，研究人員報告說，通過光纖納米尖端發(fā)射強烈的激光脈沖，會使尖端發(fā)射電子，從而產(chǎn)生一種可用于探測材料的快速“電子槍”。該設備允許研究人員從任何角度快速檢查表面，相比現(xiàn)有的無法靈活移動的技術具有巨大的優(yōu)勢。

如上圖所示，光穿過光纖激勵納米針尖中的金屬電子形成稱為表面等離子體子的振蕩，并助力電子離開尖端。這種簡單的電子納米槍可以通過不同形式的材料組成和結(jié)構(gòu)變得更加通用。

橡樹嶺國家實驗室量子信息科學小組的Ali Passian說：“它是根據(jù)光激勵的原理工作的，所以光進入金屬中，以正確的方式刺激電子，使它們獲得足夠的能量出來�！�。

電子是近距離觀察材料表面特征的寶貴工具。亞原子粒子的波長比光子短，光粒子可以將物體放大到納米級（十億分之一米），分辨率比光的放大倍數(shù)要高。

自本世紀中葉以來，研究人員就用尖利的納米尖端在緊密聚焦的光束中發(fā)射電子。與其他掃描電子顯微鏡技術相比，納米尖端提供了更好的空間和時間分辨率，幫助研究人員更好地跟蹤納米尺度上正在進行的相互作用。在這些技術中，當光子激發(fā)尖端時，電子就會發(fā)射出來。

然而，在這項研究之前，納米管的發(fā)射方法一直依賴于外部光刺激。為了產(chǎn)生電子，研究人員必須小心地將激光束對準納米針尖的頂端。

內(nèi)布拉斯加州大學（University of Nebraska）電子控制研究負責人、該研究的合著者赫爾曼•巴特蘭（Herman batelan）說：“以前，激光必須跟蹤尖端，這在技術上是一件非常困難的事情�！�。這項任務的難度限制了圖像應用時的拍攝速度和拍攝位置。

但是Passian有個不同的想法。通過通過一根柔性光纖發(fā)射激光，從內(nèi)部照亮其錐形的金屬涂層納米尖端，他預言他可以創(chuàng)造出一種更容易操作的工具。

Passian說：“我們的想法是，因為這很簡單，而且包含了從內(nèi)部傳播的光，所以你可以在不同的高度和側(cè)面位置探測材料的不同部分�！�。

為了弄清他的想法是否可行，Passian與Batelaan和內(nèi)布拉斯加州大學的研究生Sam Keramati合作。內(nèi)布拉斯加州的研究小組用飛秒激光將超短的強脈沖通過光纖射入真空室。在室內(nèi)，光線穿過一個實驗室制造的鍍金纖維納米管。

研究小組確實觀察到了納米針尖的受控電子發(fā)射。通過對數(shù)據(jù)的分析，他們提出，實現(xiàn)電子激發(fā)的機制并不是一個簡單的機制，而是包括多種因素的組合。

一個因素是納米針頭的形狀和金屬涂層產(chǎn)生一個電場，有助于將電子推出尖端。另一個因素是納米尖端的電場可以被特定波長的激光增強。

“通過將飛秒激光調(diào)諧到我們稱之為表面等離子體共振波長的正確波長，我們發(fā)現(xiàn)我們獲得了超過閾值的發(fā)射，” Keramati說。“表面等離子體共振意味著金屬表面電子的集體振蕩。當電子從光子吸收足夠的能量以初始動能發(fā)射出去時，就會出現(xiàn)高于閾值的發(fā)射�！�

為了驗證電子是由光而不是熱發(fā)射的，研究小組對納米尖端進行了研究。在實驗過程中，尖端沒有受到損傷，這表明發(fā)射機制確實是光驅(qū)動的。

他們發(fā)現(xiàn)，這項新技術的另一個優(yōu)點是，激光源的快速開關能力允許他們以超過納秒的速度控制電子發(fā)射。這將為他們提供更好的方法以快速捕獲圖像。這樣的圖像可以像電影一樣拼接在一起，在納米尺度上追蹤復雜的相互作用。

降低功耗

對這些初步發(fā)現(xiàn)感到滿意，研究小組決定用一種功耗遠低于日常激光筆的連續(xù)波激光器來測試他們是否能達到類似的結(jié)果。為了彌補激光功率的不足，他們提高了納米針頭處的電壓，產(chǎn)生了一種他們認為有助于驅(qū)逐電子的能量勢差。令他們驚訝的是，這起作用了。

盡管連續(xù)波激光器缺乏更強大的飛秒激光器的快速開關能力，但慢開關有其自身的優(yōu)勢，即可以更好地控制納米尖端發(fā)射的電子的持續(xù)時間和數(shù)量。

事實上，這個團隊證明了慢開關所提供的控制使電子發(fā)射在一種稱為電子幽靈成像（electron ghost imaging）的未來應用所必需的范圍內(nèi)。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，將光的量子特性應用到像活體生物細胞這樣的圖像敏感樣品上。

通過將多個纖維納米針頭捆綁在一起，研究小組希望在納米尺度上實現(xiàn)電子鬼像成像。

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