28.04.2020 - Universität Duisburg-Essen

Se ha desarrollado una nueva forma de microscopía

Avances en la nanoóptica

La duración de su instantánea se relaciona con un segundo como un segundo se relaciona con la edad del universo: En una colaboración conjunta con el científico australiano Tim Davis y el Grupo en torno a Harald Gießen (Universidad de Stuttgart), los físicos del CENIDE han desarrollado la microscopía vectorial ultrarrápida como una forma de determinar los campos eléctricos en superficies de alta resolución temporal y espacial. El nuevo método se utilizó por primera vez para medir la dinámica de los skyrmions ópticos en el dominio del tiempo. La revista "Science" publica este avance en la nanoóptica en su número actual.

La nanoóptica trata de las interacciones entre la luz y la materia. Los investigadores que se dedican a este campo utilizan métodos espectroscópicos y microscópicos para observar e influir en las propiedades y estados de las estructuras diminutas e incluso de las moléculas individuales. Como con los ordenadores ópticos, que todavía están en su infancia: sus estructuras pueden ser mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz, y requieren trucos como las nano-antenas para acoplar la luz a las nanoestructuras de manera efectiva. Sin embargo, es bastante desafiante analizar los campos eléctricos alrededor de tales estructuras en el espacio y el tiempo.

Un equipo de físicos dirigido por el profesor Frank-J. Meyer zu Heringdorf (UDE), el experto australiano en nanoóptica Dr. Timothy J. Davis, y el profesor Harald Gießen (Universidad de Stuttgart) han realizado un logro pionero: Con su microscopía vectorial, basada en la microscopía de fotoemisión de 2 fotones resueltos en el tiempo, han podido analizar los campos eléctricos en una superficie metálica con una precisión milimétrica y temporal - hasta 10 nanómetros de resolución local y en un rango de subfemtosegundos.

Los pulsos de láser ultracortos combinados con el análisis vectorial

Para ello, utilizaron microcristalitos de oro con una superficie específicamente nanoestructurada. Luego utilizaron un pulso de láser ultra corto para generar un polaritón plasmón superficial, que es una onda de electrones que se propaga en la superficie. Unos pocos femtosegundos después de la excitación, se utilizó un segundo pulso para sondear el campo eléctrico de la onda. Sin embargo, el pulso de la sonda sólo puede analizar el componente que está igualmente polarizado, es decir, cuando el campo eléctrico del pulso de la sonda y el del plasmón en la superficie apuntan en la misma dirección.

Los científicos reconstruyeron los vectores de campo determinando dos componentes de campo perpendiculares entre sí en dos experimentos individuales con diferentes polarizaciones de sondeo. La tercera componente del campo se calculó posteriormente utilizando las ecuaciones de Maxwell. "Este es un verdadero avance", dice Meyer zu Heringdorf, quien también es miembro del Centro de Investigación Colaborativa de la UDE, "Dinámica de no equilibrio de la materia condensada en el dominio del tiempo". "Esto significa que cada punto de un campo eléctrico en una superficie puede ser observado en cualquier momento, incluso en las estructuras más pequeñas."

Los telescopios oscilantes observados

Debido a sus prometedoras propiedades en los sistemas magnéticos, los investigadores están investigando actualmente si las propiedades magnéticas de los skyrmions también pueden ser transferidas a la óptica. Por lo tanto, los físicos han demostrado el valor de su método recientemente desarrollado investigando por primera vez la dinámica de subfemtosegundos de los "skyrmions" ópticos.

Para ello, el equipo creó plasmones en la superficie dorada cuyos campos eléctricos formaron los skyrmions ópticos (ver imagen). Luego aumentaron sistemáticamente el intervalo de tiempo entre los pulsos de láser de la bomba y la sonda en unos 100 attosegundos. La secuencia de las imágenes vectoriales reconstruidas da como resultado una película de cómo el campo del rayo óptico oscila hacia arriba y hacia abajo.

Dado que el método es generalmente aplicable a los campos eléctricos en las superficies, la microscopía vectorial puede utilizarse para estudiar las distribuciones de campo en nanoestructuras ópticas con una precisión que habría sido impensable hace sólo unos pocos años.

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