Resolución temporal de attosegundos para microscopía electrónica

Un equipo de físicos de la Universidad de Konstanz y Ludwig-Maximilians-Universität München en Alemania ha logrado una resolución de tiempo de attosegundos en un microscopio electrónico de transmisión combinándolo con un láser de onda continua: nuevos conocimientos sobre las interacciones luz-materia.



Los microscopios electrónicos proporcionan una visión profunda de los detalles más pequeños de la materia y pueden revelar, por ejemplo, la configuración atómica de los materiales, la estructura de las proteínas o la forma de las partículas de virus. Sin embargo, la mayoría de los materiales en la naturaleza no son estáticos y más bien interactúan, se mueven y remodelan todo el tiempo.


Uno de los fenómenos más comunes es la interacción entre la luz y la materia, que es omnipresente tanto en las plantas como en los componentes ópticos, células solares, pantallas o láseres.


Estas interacciones, que se definen por los electrones que se mueven por los ciclos de campo de una onda de luz, ocurren en escalas de tiempo ultrarrápidas de femtosegundos o incluso attosegundos.


Si bien la microscopía electrónica ultrarrápida puede proporcionar información sobre los procesos de femtosegundos, no ha sido posible, hasta ahora, visualizar la dinámica de reacción de la luz y la materia que ocurren a velocidades de attosegundos.


Ahora, un equipo de físicos de la Universidad de Konstanz y Ludwig-Maximilians-Universität München ha logrado combinar un microscopio electrónico de transmisión con un láser de onda continua para crear un microscopio electrónico de attosegundos prototípico (A-TEM). Los resultados se informan en Science Advances.


Modulando el haz de electrones


“Los fenómenos básicos en óptica, nanofotónica o metamateriales ocurren en tiempos de attosegundos, más cortos que un ciclo de luz”, explica el profesor Peter Baum, autor principal del estudio y jefe del grupo de investigación Luz y Materia del Departamento de Física de la Universidad de Konstanz. “Para poder visualizar interacciones ultrarrápidas entre la luz y la materia se requiere una resolución temporal por debajo del período de oscilación de la luz”.


(A) Los ciclos ópticos de un láser de onda continua (CW) (rojo) modulan el haz de electrones continuo (azul) de un TEM en una secuencia de pulsos de subciclo de luz que se sincronizan con una segunda onda de luz en la muestra ( amarillo). El diagnóstico de los espectros de energía en función del tiempo de retardo Δt entre las dos ondas láser revela la duración del pulso y la naturaleza coherente cuántica de la modulación. Opcionalmente, las imágenes en el espacio real dependientes del retardo (línea azul punteada) pueden revelar fenómenos electromagnéticos en el espacio y el tiempo. E, energía; e-gun, fuente de electrones. (B) Imagen del experimento. No se requiere ningún láser de femtosegundos o modificación de la fuente de electrones (gris oscuro) para transformar un microscopio electrónico en un instrumento de attosegundos. Crédito de la foto: A. Ryabov, Ludwig-Maximilians-Universität München y Universität Konstanz.

Los microscopios electrónicos de transmisión convencionales utilizan un haz de electrones continuo para iluminar una muestra y crear una imagen. Para lograr una resolución de tiempo de attosegundos, el equipo dirigido por Baum utiliza las oscilaciones rápidas de un láser de onda continua para modular el haz de electrones dentro del microscopio en el tiempo.


Pulsos de electrones ultracortos


La clave de su enfoque experimental es una membrana delgada que los investigadores utilizan para romper la simetría de los ciclos ópticos de la onda láser. Esto hace que los electrones se aceleren y desaceleren en rápida sucesión.


“Como resultado, el haz de electrones dentro del microscopio electrónico se transforma en una serie de pulsos de electrones ultracortos, más cortos que la mitad de un ciclo óptico de la luz láser”, dice Andrey Ryabov, investigador postdoctoral del estudio.


Otra onda láser, que se divide de la primera, se utiliza para excitar un fenómeno óptico en una muestra de interés. Los pulsos de electrones ultracortos sondean la muestra y su reacción a la luz láser. Al escanear el retraso óptico entre las dos ondas láser, los investigadores pueden obtener imágenes con resolución de attosegundos de la dinámica electromagnética dentro de la muestra.


Modificaciones simples, gran impacto


“La principal ventaja de nuestro método es que podemos utilizar el haz de electrones continuo disponible dentro del microscopio electrónico en lugar de tener que modificar la fuente de electrones. Esto significa que tenemos un millón de veces más electrones por segundo, básicamente el brillo total de la fuente, que es clave para cualquier aplicación práctica”, continúa Ryabov.


Otra ventaja es que las modificaciones técnicas necesarias son bastante simples y no requieren modificaciones del cañón de electrones.


Como resultado, ahora es posible lograr una resolución de attosegundos en una amplia gama de técnicas de imágenes de espacio-tiempo, como la holografía resuelta en el tiempo, la microscopía electrónica de forma de onda o la espectroscopía electrónica asistida por láser, entre otras.


A largo plazo, la microscopía electrónica de attosegundos puede ayudar a descubrir los orígenes atomísticos de las interacciones luz-materia en materiales complejos y sustancias biológicas.




 

Más información: A. Ryabov, J. W. Thurner, D. Nabben, M. V. Tsarev, P. Baum, Attosecond metrology in a continuous-beam transmission electron microscope, Science Advances, 11 November 2020. DOI: 10.1126/sciadv.abb1393

 

Nota original: University of Konstanz

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