將一塊石英放在電子顯微鏡下，它會發出冰冷的藍色光芒。這種現象最早在 20 世紀 60 年代被注意到，被稱為陰極發光，為地質學家提供了一種簡便的方法來識別岩石樣本中的石英和其他礦物。但是，這種在電子束將材料自身的電子激發到更高能量狀態後發射出的光線，是微弱而彌散的，這阻礙了其他科學家將其用於精細尺度成像。
現在，一個荷蘭小組找到了一種方法來收集和聚焦一種先前被忽略的特別微弱且區域性的陰極發光，將這種光芒轉變為對材料奈米級結構的精確探測。研究人員預計這項技術將在今年年初推向市場，為材料科學家提供一種新的工具，用於研究雷射器、光基電路和太陽能電池中使用的複雜奈米結構內部的光行為。
“我們建立了一個世界上獨一無二的陰極發光系統，”阿姆斯特丹 FOM 原子與分子物理研究所 (AMOLF) 的物理學家阿爾伯特·波爾曼 (Albert Polman) 說。
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該技術結合了光學和電子成像的優點。原則上，電子束可以實現小於 1 奈米的解析度，而光束的解析度則為數百奈米。但是，透過散射或反射電子製成的圖通常對光在樣品中的行為不敏感。相比之下，陰極發光可以繪製光和物質相互作用的圖 - 但由於它是透過窄束電子觸發的，因此它有望實現那些系統可以達到的相同奈米級解析度。
“這為以更基本的方式理解光如何與物質耦合打開了大門，”加利福尼亞州帕薩迪納市加州理工學院的物理學家哈里·阿特沃特 (Harry Atwater) 說，他過去曾與波爾曼合作研究陰極發光，但並未參與最新技術的研究。
該系統的關鍵是對樣品進行超精確的對準。該裝置包括一個精心設計的拋物面鏡，用於收集從受電子轟擊的樣品中發出的光子。它將它們透過透鏡系統和一個光譜儀，以分辨光的來源和能量（參見“超材料電視”）。該裝置足夠靈敏，即使是來自幾乎不發光的材料（如金屬）的訊號也能捕捉到。就像老式陰極射線管彩色電視機一樣，電子束掃描樣品以逐行構建影像。
圖片：Ernst Jan Vesseur 和 Toon Coenen (Amolf)
荷蘭小組已經與美國和西班牙的合作者一起，使用該技術來梳理出某些奈米結構如何與光相互作用。在最近一篇研究銀、玻璃和矽層狀結構的論文中，他們表明可見光的相速度——波峰和波谷在材料中傳播的速度——非常快，實際上是在真空中傳播，這解釋了材料的總體折射率為零 (E. J. R. Vesseur et al. Phys. Rev. Lett. 110, 013902; 2013)。
這種效應已經在被稱為超材料的此類層狀結構中被預測到，但要觀察到它，需要比早期技術所能產生的更高的光發射解析度圖。該團隊還繪製了矽奈米盤中光的分佈圖，這些奈米盤用作太陽能電池上的塗層以提高效率，以及光子晶體的超小腔體中的分佈圖 - 光子晶體是基於晶片的雷射器和發光二極體的組成部分。
蘇黎世瑞士聯邦理工學院的光學物理學家盧卡斯·諾沃特尼 (Lukas Novotny) 說，陰極發光可能是提高發光器件和太陽能電池效能的有用工具，因為使用該技術建立的光發射圖反映了電磁態的區域性密度，該量決定了光與物質之間的耦合程度，反之亦然。“此資訊至關重要，”他說。
總部位於荷蘭代爾夫特的初創光學公司 Delmic 已獲得 AMOLF 陰極發光技術的許可，波爾曼表示，該公司將很快向大學的材料研究人員出售這些裝置，價格在 10 萬美元到 20 萬美元之間；以後可能會瞄準雷射器、半導體和太陽能電池行業。他意識到，通過出售該系統，他可能會為自己的研究創造競爭對手。但他表示，透過建立一個在地質學家之外使用陰極發光的科學家社群，所獲得的收益將遠大於此。“我們希望激勵人們走出家門，做到這一點，”他說。