13.11.2020 - Universität Konstanz

Aumento de segundos para la microscopía electrónica

La resolución en tiempo atosegundo en un microscopio electrónico de transmisión, combinándolo con un láser de onda continua, logró

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 los virus. Sin embargo, la mayoría de los materiales en la naturaleza no son estáticos y más bien interactúan, se mueven y se remodelan todo el tiempo. Uno de los fenómenos más comunes es la interacción entre la luz y la materia, que es omnipresente en las plantas, así como en los componentes ópticos, las células solares, las pantallas o los láseres. Estas interacciones, que se definen por el desplazamiento de electrones por los ciclos de campo de una onda de luz, se producen a escalas de tiempo ultrarrápidas de femtosegundos (10-15 segundos) o incluso de atosegundos (10-18 segundos, una milmillonésima de una milmillonésima de segundo). Si bien la microscopía electrónica ultrarrápida puede proporcionar cierta comprensión de los procesos de femtosegundos, hasta ahora no ha sido posible visualizar la dinámica de reacción de la luz y la materia que se produce a velocidades de attosegundos.

Ahora, un equipo de físicos de la Universidad de Constanza y de la Universidad Ludwig-Maximilians-Universität de Múnich ha logrado combinar un microscopio electrónico de transmisión con un láser de onda continua para crear un prototipo de microscopio electrónico de attosegundo (A-TEM). Los resultados se publican en el último número de Science Advances.

La modulación del haz de electrones

"Los fenómenos básicos de la óptica, la nanofotónica o los metamateriales se producen a intervalos de segundos, más cortos que un ciclo de luz", explica el profesor Peter Baum, autor principal del estudio y jefe del grupo de investigación sobre la luz y la materia del Departamento de Física de la Universidad de Constanza. "Para poder visualizar las interacciones ultrarrápidas entre la luz y la materia se requiere una resolución temporal por debajo del período de oscilación de la luz". Los microscopios electrónicos de transmisión convencionales utilizan un haz de electrones continuo para iluminar un espécimen y crear una imagen. Para lograr una resolución en el tiempo de un segundo, el equipo dirigido por Baum utiliza las rápidas oscilaciones de un láser de onda continua para modular en el tiempo el haz de electrones dentro del microscopio.

Pulsos de electrones ultracortos

La clave de su enfoque experimental es una fina membrana 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 una rápida sucesión. "Como resultado, el rayo 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 el primer autor Andrey Ryabov, un investigador postdoctoral del estudio. Otra onda láser, que se separa de la primera, se utiliza para excitar un fenómeno óptico en una muestra de interés. Los pulsos de electrones ultracortos entonces sondean la muestra y su reacción a la luz láser. Escaneando el retardo óptico entre las dos ondas láser, los investigadores son capaces de obtener imágenes de resolución de un segundo 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, lo cual es clave para cualquier aplicación práctica", continúa Ryabov. Otra ventaja es que las modificaciones técnicas necesarias son bastante simples y no requieren modificaciones de la pistola de electrones.

Como resultado de ello, ahora es posible lograr una resolución de un segundo en toda una gama de técnicas de imágenes espacio-temporales, como la holografía de resolución temporal, la microscopía electrónica de forma de onda o la espectroscopía electrónica asistida por láser, entre otras. A largo plazo, la microscopía electrónica de attosegundo puede ayudar a descubrir los orígenes atomísticos de las interacciones luz-materia en materiales complejos y sustancias biológicas.

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