Iluminando la dinámica de la nanoescala

Físicos de la Universidad de Constanza, la Universidad Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU Munich) y la Universidad de Ratisbona han demostrado con éxito que los pulsos de electrones ultracortos experimentan un cambio de fase mecánico cuántico a través de su interacción con las ondas de luz en los materiales nanofotónicos, que pueden descubrir la funcionalidad de los nanomateriales. Los experimentos y resultados correspondientes se presentan en el último número de Science Advances.

Materiales nanofotónicos y metamateriales

Muchos materiales que se encuentran en la naturaleza pueden influir en las ondas electromagnéticas como la luz de diferentes maneras. Sin embargo, la generación de nuevos efectos ópticos con el fin de desarrollar células solares, dispositivos de camuflaje o catalizadores particularmente eficientes, a menudo requiere estructuras artificiales, los llamados metamateriales. Estos materiales logran sus extraordinarias propiedades mediante una sofisticada estructuración a nanoescala, es decir, a través de una disposición en forma de cuadrícula de los más pequeños bloques de construcción en escalas de longitudes muy inferiores a la longitud de onda de la excitación.

La caracterización y el desarrollo de tales metamateriales requiere una profunda comprensión de cómo se comportan las ondas de luz incidente cuando golpean estas diminutas estructuras y cómo interactúan con ellas. En consecuencia, las nanoestructuras excitadas ópticamente y sus campos cercanos electromagnéticos deben medirse con resoluciones espaciales en el rango de los nanómetros (~10-9 m) y, al mismo tiempo, con resoluciones temporales por debajo de la duración del ciclo de excitación (~10-15 s). Sin embargo, esto no puede lograrse sólo con la microscopía de luz convencional.

La difracción electrónica ultrarrápida de nanoestructuras excitadas ópticamente

A diferencia de la luz, los electrones tienen una masa en reposo y por lo tanto ofrecen una resolución espacial 100.000 veces mejor que los fotones. Además, los electrones pueden ser usados para explorar campos electromagnéticos y potenciales debido a sus cargas. Un equipo dirigido por el profesor Peter Baum (Universidad de Constanza) ha logrado ahora aplicar pulsos de electrones extremadamente cortos para lograr tal medición. Para ello, la duración de los pulsos de electrones se comprimió en el tiempo mediante la radiación de terahercios hasta tal punto que los investigadores pudieron resolver en detalle las oscilaciones ópticas de los campos electromagnéticos cercanos a las nanoestructuras.

Altas resoluciones espaciales y temporales

"El desafío de este experimento consiste en asegurar que la resolución sea lo suficientemente alta tanto en el espacio como en el tiempo. Para evitar los efectos de la carga espacial, sólo utilizamos electrones individuales por pulso y aceleramos estos electrones hasta energías de 75 kilo-electrones voltios", explica el profesor Peter Baum, último autor del estudio y jefe del grupo de trabajo para la luz y la materia del Departamento de Física de la Universidad de Constanza. Al ser dispersados por las nanoestructuras, estos pulsos de electrones extremadamente cortos interfieren en sí mismos debido a sus propiedades mecánicas cuánticas y generan una imagen de difracción de la muestra.

La interacción con los campos electromagnéticos y los potenciales

La investigación de las nanoestructuras excitadas ópticamente se basa en el conocido principio de los experimentos con sondas de bombeo. Después de la excitación óptica de los campos cercanos, el pulso de electrones ultracorto llega a un punto definido en el tiempo y mide los campos congelados en el espacio y el tiempo. "Según las predicciones de Aharonov y Bohm, los electrones experimentan un desplazamiento de fase mecánico cuántico de su función de onda cuando viajan a través de potenciales electromagnéticos", explica Kathrin Mohler, investigadora doctoral de LMU Munich y primera autora del estudio. Estos desplazamientos de fase inducidos ópticamente proporcionan información sobre la dinámica ultrarrápida de la luz en las nanoestructuras, entregando en última instancia una secuencia de imágenes similar a una película que revela la interacción de la luz con las nanoestructuras.

Un nuevo régimen de aplicación para la holografía y la difracción de electrones

Estos experimentos ilustran cómo la holografía y la difracción de electrones pueden aprovecharse en el futuro para mejorar nuestra comprensión de las interacciones fundamentales luz-materia que subyacen a los materiales nanofotónicos y a los metamateriales. A largo plazo, esto puede incluso conducir al desarrollo y optimización de la óptica compacta, las nuevas células solares o los catalizadores eficientes.