Kathrin Mohler, Ludwig-Maximilians-Universität München
Difracción ultrarrápida de electrones de metamateriales excitados ópticamente
Acercar
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.
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.
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.
"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 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.
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.
Un reciclaje más sostenible de los plásticos
Los plásticos pertenecen a los materiales más utilizados y son componentes vitales de todas las tecnologías modernas. Hasta ahora, sólo ha sido posible reciclar estos valiosos materiales de forma limitada. Para ofrecer soluciones novedosas, los químicos del grupo del profesor Stefan Mecking ... más
Un equipo interdisciplinario de investigadores de la Universidad de Constanza ha descubierto un nuevo estado de la materia, el vidrio líquido, con elementos estructurales hasta ahora desconocidos: nuevos conocimientos sobre la naturaleza del vidrio y sus transiciones. Si bien el vidrio es u ... más
Aumento de segundos para la microscopía electrónica
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 mater ... más
Transmisión de energía mediante nanopartículas de oro acopladas a estructuras de ADN
Desde el inicio de este campo en 2006, laboratorios de todo el mundo han estado explorando el uso del "origami de ADN" para el montaje de nanoestructuras complejas. El método se basa en hebras de ADN con secuencias definidas que interactúan mediante el emparejamiento localizado de bases. "C ... más
¿Comenzó la evolución darwiniana antes de la vida misma?
Antes de que surgiera la vida en la Tierra, muchos procesos fisicoquímicos de nuestro planeta eran muy caóticos. Una plétora de pequeños compuestos y polímeros de longitudes variables, formados por subunidades (como las bases del ADN y el ARN), estaban presentes en todas las combinaciones i ... más
Microscopía de fluorescencia en la más alta resolución espacial y temporal
Hace sólo unos años, se superó un límite de resolución aparentemente fundamental en la microscopía óptica, un avance que en 2014 llevó al Premio Nobel de Química por la microscopía de súper resolución. Desde entonces, se ha producido otro salto cuántico en este ámbito, que ha reducido aún m ... más
En un centímetro cúbico de un sólido suele haber 10²³ electrones. En este sistema masivo de muchos cuerpos, la aparentemente simple interacción electrón-electrón por pares puede causar correlaciones extremadamente complejas y comportamientos exóticos, como la superconductividad. Este fenóme ... más
Mapear las estructuras cuánticas con luz para desbloquear sus capacidades
Una nueva herramienta que utiliza la luz para trazar un mapa de las estructuras electrónicas de los cristales podría revelar las capacidades de los materiales cuánticos emergentes y allanar el camino para las tecnologías energéticas avanzadas y las computadoras cuánticas, según los investig ... más
Un único interruptor molecular revela la dinámica de la luz a escala atómica
Investigadores de la Universidad de Ratisbona y del MPSD de Hamburgo han desarrollado un método innovador para detectar la dinámica de la luz en una escala tan pequeña con una alta resolución temporal. Desde el siglo XVII, los investigadores han explorado objetos diminutos en su detalle más ... más
