将一块石英放在电子显微镜下，它会发出冰冷的蓝色光芒。这种现象最早在 20 世纪 60 年代被注意到，被称为阴极发光，为地质学家提供了一种简便的方法来识别岩石样本中的石英和其他矿物。但是，这种在电子束将材料自身的电子激发到更高能量状态后发射出的光线，是微弱而弥散的，这阻碍了其他科学家将其用于精细尺度成像。
现在，一个荷兰小组找到了一种方法来收集和聚焦一种先前被忽略的特别微弱且局部的阴极发光，将这种光芒转变为对材料纳米级结构的精确探测。研究人员预计这项技术将在今年年初推向市场，为材料科学家提供一种新的工具，用于研究激光器、光基电路和太阳能电池中使用的复杂纳米结构内部的光行为。
“我们建立了一个世界上独一无二的阴极发光系统，”阿姆斯特丹 FOM 原子与分子物理研究所 (AMOLF) 的物理学家阿尔伯特·波尔曼 (Albert Polman) 说。
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该技术结合了光学和电子成像的优点。原则上，电子束可以实现小于 1 纳米的分辨率，而光束的分辨率则为数百纳米。但是，通过散射或反射电子制成的图通常对光在样品中的行为不敏感。相比之下，阴极发光可以绘制光和物质相互作用的图 - 但由于它是通过窄束电子触发的，因此它有望实现那些系统可以达到的相同纳米级分辨率。
“这为以更基本的方式理解光如何与物质耦合打开了大门，”加利福尼亚州帕萨迪纳市加州理工学院的物理学家哈里·阿特沃特 (Harry Atwater) 说，他过去曾与波尔曼合作研究阴极发光，但并未参与最新技术的研究。
该系统的关键是对样品进行超精确的对准。该设备包括一个精心设计的抛物面镜，用于收集从受电子轰击的样品中发出的光子。它将它们通过透镜系统和一个光谱仪，以分辨光的来源和能量（参见“超材料电视”）。该设备足够灵敏，即使是来自几乎不发光的材料（如金属）的信号也能捕捉到。就像老式阴极射线管彩色电视机一样，电子束扫描样品以逐行构建图像。
图片：Ernst Jan Vesseur 和 Toon Coenen (Amolf)
荷兰小组已经与美国和西班牙的合作者一起，使用该技术来梳理出某些纳米结构如何与光相互作用。在最近一篇研究银、玻璃和硅层状结构的论文中，他们表明可见光的相速度——波峰和波谷在材料中传播的速度——非常快，实际上是在真空中传播，这解释了材料的总体折射率为零 (E. J. R. Vesseur et al. Phys. Rev. Lett. 110, 013902; 2013)。
这种效应已经在被称为超材料的此类层状结构中被预测到，但要观察到它，需要比早期技术所能产生的更高的光发射分辨率图。该团队还绘制了硅纳米盘中光的分布图，这些纳米盘用作太阳能电池上的涂层以提高效率，以及光子晶体的超小腔体中的分布图 - 光子晶体是基于芯片的激光器和发光二极管的组成部分。
苏黎世瑞士联邦理工学院的光学物理学家卢卡斯·诺沃特尼 (Lukas Novotny) 说，阴极发光可能是提高发光器件和太阳能电池性能的有用工具，因为使用该技术创建的光发射图反映了电磁态的局部密度，该量决定了光与物质之间的耦合程度，反之亦然。“此信息至关重要，”他说。
总部位于荷兰代尔夫特的初创光学公司 Delmic 已获得 AMOLF 阴极发光技术的许可，波尔曼表示，该公司将很快向大学的材料研究人员出售这些设备，价格在 10 万美元到 20 万美元之间；以后可能会瞄准激光器、半导体和太阳能电池行业。他意识到，通过出售该系统，他可能会为自己的研究创造竞争对手。但他表示，通过创建一个在地质学家之外使用阴极发光的科学家社区，所获得的收益将远大于此。“我们希望激励人们走出家门，做到这一点，”他说。