Un salto cuántico en microscopía óptica
Investigadores de Ratisbona y Birmingham superan una limitación fundamental de la microscopía óptica
Desde las cámaras de los teléfonos inteligentes hasta los telescopios espaciales, el deseo de ver detalles cada vez más precisos ha impulsado el progreso tecnológico. Sin embargo, a medida que exploramos escalas de longitud cada vez más pequeñas, nos encontramos con un límite fundamental establecido por la propia luz. Dado que la luz se comporta como una onda, no puede enfocarse de forma arbitraria debido a un efecto llamado difracción. Por ello, los microscopios ópticos convencionales no pueden resolver estructuras mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz, lo que hace que los componentes básicos de la materia queden fuera del alcance de la observación óptica directa.
Representación artística del mecanismo microscópico que subyace a la emisión por efecto túnel óptico de campo cercano: La luz láser impulsa a los electrones (esferas brillantes) a saltar de un lado a otro entre el átomo vértice de una punta metálica afilada (arriba) y una muestra (abajo), dando lugar a una emisión electromagnética que permite la microscopía totalmente óptica a escala atómica.
© Brad Baxley, PtW
Ahora, investigadores del Centro de Nanoscopía Ultrarrápida de Ratisbona, junto con colegas de la Universidad de Birmingham, han hallado una forma novedosa de superar esta limitación. Utilizando láseres de onda continua estándar, han logrado mediciones ópticas a distancias comparables a la separación entre átomos individuales.
Consiguen esta increíble resolución acercando extraordinariamente una punta metálica afilada a la superficie del material estudiado, separada por un espacio menor que el tamaño de un átomo. Un láser de onda continua ilumina el sistema, "comprimiendo" la luz infrarroja en el minúsculo hueco y concentrándola en el vértice de la punta. Al confinar la luz de este modo se evita el límite de difracción y se consigue una resolución espacial del orden del radio de curvatura del ápice de la punta, normalmente unos 10 nanómetros.
Aunque esto ya representa una mejora espectacular con respecto a las técnicas convencionales de campo lejano, sigue siendo un factor de 30 demasiado grueso para resolver características a escala atómica. Decidido a encontrar el límite absoluto de la resolución espacial, el equipo siguió acercando la punta a la superficie. El resultado les sorprendió a todos. "A distancias muy pequeñas, la señal se disparaba de forma espectacular", explica Felix Schiegl, de la Universidad de Ratisbona. "No entendimos inmediatamente lo que estaba pasando. La verdadera sorpresa llegó cuando nos dimos cuenta de que estábamos resolviendo características a escala atómica de hasta 0,1 nanómetros".
La explicación está en la mecánica cuántica. Aunque la punta y la superficie no se tocan físicamente en el sentido clásico, los electrones pueden hacer un túnel entre ellas. El campo eléctrico continuamente oscilante de la luz infrarroja obliga a los electrones a moverse entre la punta y la superficie. De forma muy parecida a los electrones que oscilan en una antena de radio, este movimiento produce una débil señal electromagnética, y los investigadores han podido detectar esta emisión óptica en túnel de campo cercano (NOTA).
"Es sorprendente que un solo electrón moviéndose a una distancia menor que el tamaño de un átomo cada cien ciclos de la luz ya pueda producir una luz lo suficientemente intensa como para que la detectemos", afirma el Dr. Tom Siday, de la Universidad de Birmingham. A partir de esta luz emitida, se puede medir con precisión a escala atómica el movimiento de los electrones entre la punta y la muestra y, por tanto, propiedades del material como la conductividad. "El paso decisivo es que ya no estamos limitados por el confinamiento de la luz", afirma Valentin Bergbauer, de la Universidad de Ratisbona. "En su lugar, controlamos y medimos directamente el movimiento cuántico de los electrones confinado a dimensiones atómicas, un salto cuántico que lleva la microscopía óptica a escalas de longitud casi cien mil veces más pequeñas que las que pueden resolver los microscopios convencionales basados en la luz". Y lo que es más importante, este efecto puede conseguirse utilizando un láser de onda continua estándar, en lugar de los láseres ultrarrápidos, más potentes pero costosos, que antes se consideraban necesarios. Esta sencillez podría facilitar el acceso a la técnica y acelerar su adopción en laboratorios de todo el mundo.
El trabajo demuestra que las mediciones ópticas pueden alcanzar ahora distancias que antes se consideraban inaccesibles, gracias al control preciso de puntas atómicamente afiladas. En el futuro, este novedoso método podría permitir a los científicos estudiar cómo interactúan los materiales con la luz a escala de átomos individuales, proporcionando información sobre cómo los procesos microscópicos a estas escalas minúsculas determinan fundamentalmente las propiedades macroscópicas de los materiales.
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