Pulsos de electrones a medida para mejorar la microscopía electrónica
Interacción de electrones libres
Los microscopios electrónicos ofrecen una visión única de las estructuras a nanoescala, pero su resolución está limitada por la repulsión mutua de los electrones. Ahora, investigadores de Gotinga han logrado medir con precisión la influencia de estas interacciones. Han descubierto una "huella energética" en la que la distribución de las velocidades de los electrones es característica de sus respectivos números. Este hallazgo ha permitido al equipo desarrollar un método que podría aumentar el rendimiento de los microscopios electrónicos establecidos y abrir una nueva interfaz entre la microscopía electrónica y la tecnología cuántica.
Nuestra comprensión de los fenómenos a nanoescala depende en gran medida del rendimiento de la microscopía moderna. Por ejemplo, los microscopios electrónicos de transmisión alcanzan hoy en día una resolución atómica de forma rutinaria. En estos microscopios, los electrones se envían a través de un objeto investigado para obtener una imagen, en cierta analogía con un microscopio óptico. De este modo, los microscopios electrónicos pueden visualizar estructuras moleculares, el ordenamiento atómico en los sólidos y la forma de las nanopartículas.
Sin embargo, el contraste y la resolución de los microscopios electrónicos están limitados, entre otras cosas, por las interacciones entre electrones: cuando dos electrones se acercan, se repelen mutuamente debido a la fuerza de Coulomb. Esto limita el brillo máximo utilizable de un haz de electrones. Investigadores dirigidos por Claus Ropers, director del Instituto Max Planck (MPI) de Ciencias Multidisciplinares, han resuelto y analizado por primera vez la repulsión entre electrones individuales en el microscopio. Gracias a estos nuevos conocimientos, han desarrollado métodos que aprovechan esta repulsión entre partículas.
Electrones contados
"Los electrones de un haz se distribuyen aleatoriamente. Por tanto, no se pueden controlar las imprecisiones introducidas por las fuerzas de Coulomb", explica Rudolf Haindl, primer autor del estudio publicado recientemente en la revista científica Nature Physics. Pero cuando los físicos utilizan un láser para generar electrones en forma de pulsos ultracortos, también crean paquetes con exactamente dos, tres o cuatro electrones. Estos electrones están estrechamente confinados en el espacio y el tiempo, de modo que interactúan entre sí. Con la ayuda de un espectrómetro y un detector basado en eventos, el intercambio de energía entre electrones en un pulso se hace visible. "Dependiendo de cuántos electrones haya en un pulso, los electrones se repelen entre sí en diferentes grados, lo que nos permitió determinar una huella energética del número de electrones en un pulso", señala Haindl.
Nuevas posibilidades
Basándose en sus hallazgos, el equipo desarrolló nuevos esquemas para utilizar los estados multielectrónicos en microscopios electrónicos. "Hemos elaborado un procedimiento que nos permitirá generar pulsos de electrones con un número fijo de electrones en el futuro. Esto puede aumentar significativamente el rendimiento de los microscopios electrónicos en investigación básica y aplicaciones tecnológicas, por ejemplo en la fabricación de semiconductores", explica Armin Feist, coautor y físico del equipo de Ropers.
El director del Max Planck, Ropers, añade: "Además de las implicaciones para la microscopía electrónica y la litografía, creemos que los electrones también están 'enredados' cuánticamente de forma mecánica, ligados entre sí de una manera cuántica específica, lo que abre una nueva interfaz entre la microscopía electrónica y la tecnología cuántica."
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