Avances en la investigación de movimientos rápidos de electrones con pulsos de luz cortos

22.12.2023

Un equipo germano-sueco ha logrado analizar simultáneamente los rápidos movimientos de los electrones con gran precisión espacial y una resolución temporal en el rango de los attosegundos. Los investigadores combinaron una variante especial de la microscopía electrónica, conocida como microscopía electrónica de fotoemisión (PEEM), con las posibilidades de la física de attosegundos. Utilizaron destellos de luz inimaginablemente cortos para controlar con precisión el movimiento de los electrones y registrar su comportamiento. En el futuro, el método podría utilizarse para comprender mejor el comportamiento de los electrones en nanomateriales o en nuevos tipos de células solares.

Jan Vogelsang

Representación esquemática del montaje experimental: Pulsos de attosegundos (violeta) liberan electrones (verde) de una superficie de cristal. El microscopio electrónico de fotoemisión (instrumento en forma de cono en la parte superior) analiza los rápidos movimientos de los electrones.

Jan Vogelsang

Un vistazo al interior de la cámara de vacío del microscopio electrónico de fotoemisión de Lund: el equipo de investigación utilizó un dispositivo similar para analizar electrones extraídos de una muestra mediante impulsos láser.

Jan Vogelsang
Jan Vogelsang

Cuando un electrón se mueve en una molécula o un semiconductor, lo hace en periodos de tiempo inimaginablemente cortos. Un equipo sueco-alemán dirigido por el físico Jan Vogelsang, de la Universidad de Oldenburg, ha logrado avances significativos en la comprensión de estos procesos: Los investigadores siguieron el movimiento de electrones liberados de cristales del compuesto óxido de zinc por un pulso láser, simultáneamente con una resolución espacial en el rango nanométrico y una resolución temporal no alcanzada hasta entonces. El equipo demuestra así la aplicabilidad de un método que podría utilizarse, por ejemplo, para comprender mejor el comportamiento de los electrones en nanomateriales o nuevos tipos de células solares. En el estudio, publicado en la revista Advanced Physics Research, participaron investigadores de la Universidad de Lund, entre ellos la ganadora del Premio Nobel de Física de este año, la profesora Dra. Anne L'Huillier.

En los experimentos, el equipo combinó una variante especial de la microscopía electrónica, conocida como microscopía electrónica de fotoemisión (PEEM), con las posibilidades de la física de attosegundos. Los investigadores utilizan destellos de luz inimaginablemente cortos para controlar con precisión el movimiento de los electrones y registrar su comportamiento posterior. "Se puede imaginar el proceso como algo parecido a la fotografía, en la que un movimiento rápido queda prácticamente congelado por un destello", explica Vogelsang. Un attosegundo es la milmillonésima parte de la milmillonésima parte de un segundo.

Según informa el equipo, experimentos similares no habían logrado hasta ahora la precisión temporal necesaria para seguir el movimiento de los electrones. Estas pequeñas partículas elementales zumban mucho más rápido que los núcleos atómicos, más grandes y pesados. En el estudio actual, sin embargo, fue posible combinar los dos métodos tecnológicamente exigentes de microscopía electrónica de fotoemisión y microscopía de attosegundos sin comprometer la resolución espacial o temporal. "Por fin hemos alcanzado el punto en el que podemos utilizar de forma práctica pulsos de attosegundos para estudiar en detalle la interacción de la luz y la materia a nivel atómico y en nanoestructuras", afirma Vogelsang.

Uno de los factores que hicieron posible este avance fue el uso de una fuente de luz que genera un número especialmente elevado de destellos de attosegundos por segundo, en este caso 200.000 pulsos de luz por segundo. Cada destello liberaba exactamente un electrón de la superficie del cristal, lo que permitió a los investigadores estudiar su comportamiento sin perturbaciones. "Cuantos más pulsos por segundo se consigan, más fácil será extraer una pequeña señal de medida de un conjunto de datos", explica el físico.
La tecnología necesaria para ello está disponible en el laboratorio de Anne L'Huillier en la Universidad de Lund (Suecia), donde también se llevaron a cabo las investigaciones para el estudio actual. Vogelsang, que fue investigadora postdoctoral en Lund de 2017 a 2020, actualmente también está desarrollando el método en la Universidad de Oldenburg. En el futuro, ambos equipos quieren continuar las investigaciones y explorar el comportamiento de los electrones en diversos materiales y nanoestructuras.

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