Revolución en microscopía: ¡los investigadores de Gotinga controlan los rayos de electrones!

Revolución en microscopía: ¡los investigadores de Gotinga controlan los rayos de electrones!

Las tecnologías modernas mejoran continuamente la capacidad de estudiar la estructura atómica y la dinámica de la materia. Un ejemplo innovador es el desarrollo de un microscopio electrónico de attosegundos por parte del profesor Peter Baum y su equipo en el Universidad de Constanza. Este dispositivo innovador puede visualizar oscilaciones eléctricas de la luz y permite una comprensión profunda de los movimientos de los átomos y los electrones, que son cruciales para las propiedades de los materiales. Las mediciones en períodos de tiempo de femtosegundos o incluso attosegundos (billonésimas y milmillonésimas de segundo) ofrecen nuevos conocimientos sobre el comportamiento de la materia basándose en la disposición de los átomos y los electrones.

Los métodos de medición anteriores tenían una eficacia limitada y sólo podían registrar procesos estimulados por pulsos láser de alta energía. El nuevo desarrollo planeado por Baum y su equipo, que está financiado con una ERC Advanced Grant de 3,1 millones de euros, pretende superar estas limitaciones. El proyecto tendrá una duración de cinco años y tiene como objetivo crear nuevos microscopios electrónicos que puedan observar escenarios completos de procesos desencadenados eléctrica, magnéticamente o de otro modo. Mediante el uso de secuencias generadas específicamente y patrones espaciales de pulsos de electrones ultracortos, el objetivo es lograr una observación más completa de la dinámica atómica.

Avances tecnológicos en microscopía electrónica

Un desafío especial es hacer visibles los cambios estructurales microscópicos en escalas de tiempo cortas. El nuevo microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida (UTEM) desempeñará un papel clave en esta investigación. Utiliza un proceso de “toque de bomba” con dos pulsos láser retardados en el tiempo. El primer pulso láser excita la muestra, mientras que el segundo genera un pulso de electrones que mapea la dinámica. Esta tecnología es única en Alemania y puede revolucionar la metodología anterior.

La UTEM se beneficiará enormemente de los avances en microscopía electrónica de resolución temporal de las últimas décadas. Se ha estado trabajando para mejorar estas tecnologías desde la década de 1980, y equipos de investigación de todo el mundo han logrado avances significativos, como en Göttingen, donde se han desarrollado nuevos sistemas de cámaras desde 2010.

Una nueva era de métodos de medición de la mecánica cuántica

Además de los avances en microscopía electrónica, investigadores de Göttingen y Suiza recientemente manipularon con éxito un haz de electrones utilizando un sistema de microchip óptico. Estos hallazgos abren nuevas posibilidades para los métodos de medición de la mecánica cuántica en microscopía electrónica. Mediante el uso de sistemas integrados basados ​​en fotónica que pueden dirigir la luz con precisión, se mejoran las interacciones entre electrones libres y fotones. Esto permite que el haz de electrones pase a través del campo óptico cercano de un microresonador fotónico, lo que produce cambios significativos en la energía de los electrones.

Esto permite que los electrones absorban varios cientos de fotones, ampliando la aplicabilidad de la manipulación del haz de electrones en los microscopios electrónicos convencionales. Esta combinación de microscopía electrónica y fotónica es de gran importancia para avances en campos como la ciencia de materiales, la biología estructural y la computación cuántica, ya que permite imágenes y espectroscopia de alta resolución.

En general, se puede decir que el cambio en los límites de lo que se puede medir mediante tecnologías innovadoras como el microscopio electrónico de attosegundos de Baum y el UTEM, así como la combinación con la fotónica de alta precisión, abre una nueva era en la investigación de materiales, en la que los procesos dinámicos a nivel atómico son cada vez más claros.