作者艾比·鲍尔，橡树岭国家实验室 光线穿过纤维，刺激纳米尖端的金属电子产生集体振荡，称为表面等离子体激元，帮助电子离开尖端
通过不同形式的材料成分和结构，这种简单的电子纳米枪可以变得更加通用
信用:阿里·帕西安/ORNL，美国
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能量的 能源部橡树岭国家实验室和内布拉斯加大学的科学家已经开发出一种更简单的方法来产生用于纳米成像和传感的电子，为材料科学、生物成像和基础量子研究提供了一种有用的新工具
在发表在《新物理学杂志》上的一项研究中，研究人员报告说，通过光纤纳米尖端发射强激光脉冲会导致尖端发射电子，从而产生一种可以用来探测材料的快速“电子枪”
该设备允许研究人员从任何角度快速检查表面，这比移动性较低的现有技术提供了巨大的优势
ORNL量子信息科学小组的阿里·帕西安说:“它是根据光激活的原理工作的，所以光进来并以正确的方式刺激金属中的电子，使它们获得足够的能量出来。”
电子是近距离观察材料表面特征的宝贵工具
亚原子粒子的波长比光子(光的粒子)短，可以以纳米或十亿分之一米的分辨率放大物体，比光的放大倍数高出数倍
自2000年代中期以来，研究人员已经使用锋利的纳米尖端以紧密聚焦的光束发射电子
与其他扫描电子显微镜技术相比，纳米尖端提供了更高的空间和时间分辨率，帮助研究人员更好地跟踪纳米尺度上正在进行的相互作用
在这些技术中，当光子激发尖端时会发射电子
然而，在这项研究之前，纳米尖端发射方法依赖于外部光刺激
为了产生电子，研究人员必须小心地将激光束对准纳米尖端的顶端
“以前，激光必须跟踪尖端，这在技术上是一件非常困难的事情，”赫尔曼·贝特拉安说，他是这项研究的合著者，在内布拉斯加大学领导电子控制研究
这项任务的难度限制了图像拍摄的速度和位置
但是帕西安有一个不同的想法
通过柔性光纤发射激光，从内部照亮锥形的金属涂层纳米尖端，他预测自己可以制造出更容易操作的工具
“这个想法是因为这很简单，而且是可控的——光从内部传播——你可以在不同的高度和横向位置探测材料的不同部分，”帕西安说
为了弄清他的想法是否可行，帕西恩与巴特拉恩以及后来内布拉斯加大学的研究生萨姆·克里马蒂合作
内布拉斯加团队使用飞秒激光通过光纤向真空室发射超短、强脉冲
在室内，光线穿过在ORNL制造的镀金光纤纳米尖端
研究小组确实观察到了纳米尖端受控的电子发射
通过对数据的分析，他们提出使排放成为可能的机制不是一个简单的机制，而是包括多种因素的组合
一个因素是纳米尖端的形状和金属涂层产生了电场，有助于将电子推出尖端
另一个因素是纳米尖端的电场可以被特定波长的激光增强
“通过将飞秒激光调整到正确的波长，我们称之为表面等离子共振波长，我们发现我们得到了高于阈值的发射，”Keramati说
表面等离子共振表示金属表面电子的集体振荡
当电子从光子中吸收足够的能量，以初始动能射出时，就会发生阈值以上的发射
为了验证电子是由于光而不是热发射的，研究小组研究了纳米尖端本身
在实验过程中，尖端没有受到损伤，表明发射机制确实是光驱动的
他们发现，这项新技术的另一个优点是，激光源的快速开关能力使他们能够以超过一纳秒的速度控制电子发射
这将使他们更好地快速捕捉图像
这样的图像可以像电影一样拼凑在一起，在纳米尺度上追踪复杂的相互作用
关小电源 该团队对这些初步发现感到满意，决定测试他们是否可以用功率小得多的连续波激光(日常激光笔中发现的相同类型)获得类似的结果
为了弥补激光功率的不足，他们提高了纳米尖端的电压，创造了一个他们认为有助于驱逐电子的势能差
令他们惊讶的是，它起作用了
“据我们所知，这是引起纳米尖端电子发射的最小激光强度，”现在是博士后研究员的喀拉拉提在谈到发表在《应用物理快报》上的结果时说
贝特拉安指出:“现在，你可以选择10美元的二极管激光器，而不是强大、极其昂贵的激光器。”
尽管连续波激光器缺乏更强的飞秒激光器的快速开关能力，但慢开关有其自身的优势；即更好地控制纳米尖端发射的电子的持续时间和数量的可能性
事实上，该团队证明，慢开关提供的控制使电子发射能够在未来应用所必需的范围内进行，这种应用被称为电子重影成像
最近演示的光重影成像利用光的量子特性，在非常低的曝光下成像敏感样品，如活的生物细胞
通过将多个纤维纳米尖端捆绑在一起，该团队希望在纳米尺度上实现电子重影成像
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