RIKEN的三位物理学家已经证明了一种超快形式的透射电子显微镜测量纳米结构中的声波的潜力。这将有助于实现利用超高频声波对纳米级结构进行成像的高分辨率成像方法。
超声通常用于诊所和医院对内部器官和子宫内的婴儿进行成像。使用的声波波长通常只有几毫米，所以它们可以成像到那个级别的结构。
虽然这样的分辨率对于医学成像来说已经很好了，但物理学家希望使用声波来成像几纳米大小的材料结构。
“如果我们可以使用波长约为100纳米左右的声波，我们就可以用它们来检查材料，比如发现缺陷，”理化研究所新兴物质科学中心(CEMS)的Asuka Nakamura解释说。“但对小缺陷的灵敏度实际上取决于波长。”
这需要产生和探测波长更短的声波(因此频率更高)。制造这种高频声波相对容易——几十年来，超短激光脉冲一直被用于在金属和半导体中产生这种声波。但探测它们更具挑战性，因为它需要开发出能够在空间上达到纳米分辨率、在时间上达到皮秒分辨率的探测器。
现在，Nakamura与CEM的同事Takahiro Shimojima和Kyoko Ishizaka一起，已经证明了一种特殊类型的电子显微镜在成像这种超高频声波方面的潜力。这项研究发表在《纳米快报》杂志上。
具体来说，他们使用超快透射电子显微镜(UTEM)来探测由超薄硅板中心的200纳米孔产生的声波。UTEM使用两束激光，两者之间有轻微的延迟(见上图)。一束光束照亮样品，而另一束在显微镜中产生超短的电子脉冲。此设置支持解析非常短的时间尺度。
三人从理论上模拟了引力波，并将模拟结果与实验获得的图像进行了比较，他们发现了很好的一致性。
图像的质量超出了团队的预期，使他们能够对图像进行傅里叶变换分析——一种常用的数学分析技术。Nakamura说:“在进行这些实验之前，我们并不打算描述声波的特征。”“但在获取数据后，我们注意到它们非常漂亮，我们可以应用傅里叶变换。这让我很惊讶。”
研究人员现在打算利用超透射电镜研究由这种纳米声波诱导的固体中的超快结构和磁动力学。
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希望本篇文章《声波成像技术在纳米结构研究中的应用》能对你有所帮助！
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