La combinación de tecnología láser y microscopía electrónica filma la reacción de la materia a la luz
Redacción T21
Instantánea del microscopio electrónico más rápido del mundo: logra por primera vez una resolución temporal en el rango de los attosegundos. GILLIAN KILIANI/UNIVERSIDAD DE CONSTANZA.
Investigadores alemanes han modificado un microscopio electrónico de tal manera que, por primera vez, también puede capturar procesos ultrarrápidos, por ejemplo, la reacción de la materia a la luz. Tomar instantáneas en intervalos de attosegundos le permite capturar incluso las vibraciones de los campos electromagnéticos en una especie de película.
La invención del microscopio electrónico revolucionó la investigación del micromundo porque, gracias a su naturaleza de onda-partícula y longitud de onda corta, los haces de electrones alcanzan resoluciones mucho más altas que las de los microscopios ópticos.
Por ejemplo, los microscopios electrónicos hacen visible la estructura atómica de los sólidos, la estructura de las moléculas o la forma de las nanopartículas. Gracias a métodos especiales de preparación de muestras, la microscopía crioelectrónica incluso muestra detalles de proteínas virales o procesos celulares.
Luz y materia
Sin embargo, la mayoría de los materiales presentes en la naturaleza no son estáticos, sino que interactúan, se mueven y se remodelan constantemente.
Uno de los fenómenos más importantes, por ejemplo, es la interacción entre la luz y la materia, omnipresente en células solares, pantallas o láseres, entre otros.
Estas interacciones, definidas por electrones movidos por las vibraciones de la luz, ocurren extremadamente rápido, del orden de attosegundos, billonésimas de una billonésima de segundo.
Películas rápidas
Por este motivo, hasta ahora no había sido posible hacer estos procesos directamente visibles. Sin embargo, un equipo de físicos de la Universidad de Konstanz ha logrado tomar películas extremadamente rápidas con una resolución de tiempo de attosegundos en un microscopio electrónico de transmisión.
La base del nuevo microscopio electrónico de attosegundos es la modulación de su haz de electrones. Esto está garantizado por una membrana de silicio delgada como una oblea colocada en un ángulo en la trayectoria del haz, que se ilumina desde un lado con un láser infrarrojo continuo.
Electrones ultracortos
Esto estimula la membrana para que vibre a velocidades ultrarrápidas. Los electrones que golpean la membrana se aceleran y desaceleran alternativamente.
"Como resultado, los electrones se alcanzan entre sí y, después de un tiempo, se convierten en una serie de pulsos de electrones ultracortos", explica David Nabben, primer autor del estudio, en un comunicado.
Otra onda láser genera entonces la interacción a examinar con el objeto de muestra. El objeto y su reacción a la luz láser, que se congela en el tiempo como en un estroboscopio, se miden luego con pulsos de electrones ultracortos.
Al final, los investigadores reciben grabaciones de los procesos en forma de película con una resolución de attosegundos (un attosegundo equivale a la trillonésima parte de un segundo).
De esta forma han obtenido nuevos conocimientos sobre cómo funcionan los nanomateriales y los metaátomos dieléctricos. Los resultados de esta investigación se han publicado en la revista Nature.
Fenómenos nanofotónicos
En su estudio, los científicos presentan varios ejemplos de mediciones resueltas en el tiempo en nanomateriales.
Los experimentos muestran, entre otras cosas, ondas superficiales quirales, que los investigadores pueden ajustar para correr en una dirección espacial específica, o retrasos característicos entre diferentes tipos de radiación de nanoantenas.
Con este microscopio no solo es posible examinar los fenómenos superficiales, sino también, por ejemplo, los procesos electromagnéticos que ocurren dentro de una guía de ondas planas: pueden mostrarse como una película, destacan los investigadores.
Resultados interesantes
Los resultados son extremadamente interesantes para futuros desarrollos en nanofotónica y, al mismo tiempo, demuestran la amplia gama de aplicaciones de la nueva microscopía electrónica de attosegundos.
"La medición directa de la funcionalidad electromagnética de los materiales en función del espacio y el tiempo no solo es valiosa para una comprensión fundamental de la interacción luz-materia, sino que también permite nuevos desarrollos en circuitos integrados fotónicos o metamateriales", resume Nabben.
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Referencia
Attosecond electron microscopy of sub-cycle optical dynamics. David Nabben et al. Nature (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06074-9
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Fuente:
