Se logra tomar imágenes de electrones en cristales mediante luz láser

Los microscopios de luz visible nos permiten ver pequeños objetos como las células vivas y su interior. Sin embargo, no pueden discernir cómo se distribuyen los electrones entre los átomos en los sólidos. Investigadores desarrollaron un nuevo tipo de microscopio óptico que permite superar esta limitación.


Electrones en el cristal de fluoruro de calcio. Crédito: Christian Hackenberger, Universidad de Rostock.
Electrones en el cristal de fluoruro de calcio. Crédito: Christian Hackenberger, Universidad de Rostock.

Durante décadas, los científicos han utilizado pulsos de luz láser para comprender el funcionamiento interno del microcosmos. Tales pulsos pueden rastrear procesos microscópicos ultrarrápidos dentro de los sólidos. Aun así, no pueden resolver espacialmente los electrones, es decir, ver cómo los electrones ocupan el espacio diminuto entre los átomos en los cristales, y cómo forman los enlaces químicos que mantienen unidos a los átomos. La razón es conocida desde hace mucho tiempo. Fue descubierto por Abbe hace más de un siglo. La luz visible solo puede discernir objetos de un tamaño proporcional a su longitud de onda, que es de unos pocos cientos de nanómetros. Pero para ver los electrones, los microscopios tendrían que aumentar su poder de aumento unos miles de veces.


Ahora investigadores liderados por Eleftherios Goulielmakis del Extreme Photonics Labs en la Universiad de Rostock y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, junto con investigadores del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China en Beijing, desarrollaron un nuevo tipo de microscopio óptico que permite superar esta limitación. Los investigadores utilizaron potentes pulsos de luz láser para irradiar películas delgadas de materiales cristalinos. Estos pulsos llevaron a los electrones del cristal a un estado de rápida agitación. A medida que los electrones rebotan con los electrones circundantes, emiten radiación en la parte del espectro asociado a la radiación ultravioleta extrema. Al analizar las propiedades de esta radiación, los investigadores fueron capaces de formar imágenes que ilustran cómo se distribuye la nube de electrones entre los átomos en la red cristalina del sólido con una resolución de unas pocas decenas de picómetros, la billonésima parte de un milímetro. La investigación fue publicada en la prestigiosa revista Nature.


Los experimentos allanan el camino hacia el desarrollo de una nueva clase de microscopios basados en luz láser que podrían permitir a los físicos, químicos y científicos de materiales observar los detalles del microcosmos con una resolución sin precedentes, así como comprender y eventualmente controlar las propiedades químicas y electrónicas de los materiales.


Denominaron su dispositivo como el picoscopio de luz. "Un potente pulso láser puede forzar a los electrones dentro de los materiales cristalinos a convertirse en fotógrafos del espacio que los rodea". Cuando el pulso láser penetra dentro del cristal, puede tomar un electrón y hacer que se mueva rápidamente. "A medida que el electrón se mueve, siente el espacio a su alrededor, al igual que su automóvil siente la superficie irregular de un camino lleno de baches", dijo Harshit Lakhotia, un investigador del grupo.


Cuando los electrones impulsados por el pulso de luz láser atraviesan una protuberancia hecha por otros electrones o átomos, se desacelera y emite radiación a una frecuencia mucho más alta que la de los láseres. "Al registrar y analizar las propiedades de esta radiación, podemos deducir la forma de estas pequeñas protuberancias, y podemos dibujar imágenes que muestren dónde la densidad de electrones en el cristal es alta o baja ", dijo Hee-Yong Kim, investigador de doctorado en Extreme Photonics Labs ". La picoscopia láser combina la capacidad de observar la mayor parte de los materiales, tal como los rayos X, y la de sondear electrones de valencia. Esto último es posible con microscopios de efecto túnel pero solo en superficies”.


Densidad electrónica de CaF2 extendida sobre múltiples celdas unitarias
Densidad electrónica de CaF2 extendida sobre múltiples celdas unitarias

"Con un microscopio capaz de sondear, la densidad de electrones de valencia pronto podremos probar el rendimiento de las herramientas computacionales de física del estado sólido", dijo Sheng Meng, del Instituto de Física de Beijing, y un físico teórico de estado sólido del equipo de investigación. "Podemos optimizar modelos modernos y de vanguardia para predecir las propiedades de los materiales con detalles cada vez más precisos. Este es un aspecto emocionante que aporta la picoscopia láser", continúa.


Ahora los investigadores están trabajando en desarrollar aún más la técnica. Planean sondear electrones en tres dimensiones y comparar aún más el método con una amplia gama de materiales que incluyen materiales 2D y topológicos. "Debido a que la picoscopia láser puede combinarse fácilmente con técnicas láser de resolución temporal, pronto será posible grabar películas reales de electrones en materiales. Este es un objetivo muy buscado en ciencias ultrarrápidas y microscopias de materia", concluye Goulielmakis.





Fuente: photonicsviews.com, University of Rostock



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