El láser toma fotos de los electrones en los cristales

Los experimentos allanan el camino para comprender profundamente y eventualmente controlar las propiedades químicas y electrónicas de los materiales

03.07.2020 - Alemania

Los microscopios de luz visible nos permiten ver objetos diminutos como células vivas y su interior. Sin embargo, no pueden discernir cómo se distribuyen los electrones entre los átomos de los sólidos. Ahora los investigadores alrededor del Prof. Eleftherios Goulielmakis de los Laboratorios de Fotónica Extrema de la Universidad de Rostock y del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, junto con colaboradores del Instituto de Física de la Academia China de Ciencias en Beijing, desarrollaron un nuevo tipo de microscopio de luz, el Picoscopio, que permite superar esta limitación.

Los investigadores usaron poderosos destellos de láser para irradiar delgadas películas de materiales cristalinos. Estos pulsos de láser impulsaron a los electrones cristalinos a un rápido movimiento de meneo. A medida que los electrones rebotaron con los electrones circundantes, emitieron radiación en la parte ultravioleta extrema del espectro. Analizando las propiedades de esta radiación, los investigadores compusieron imágenes que ilustran cómo la nube de electrones se distribuye entre los átomos en la red cristalina de los sólidos con una resolución de unas pocas decenas de picómetros que es una mil millonésima parte de un milímetro. Los experimentos allanan el camino hacia el desarrollo de una nueva clase de microscopios basados en láser que podrían permitir a los físicos, químicos y científicos de materiales observar los detalles del microcosmos con una resolución sin precedentes y comprender profundamente y eventualmente controlar las propiedades químicas y electrónicas de los materiales.

Durante décadas, los científicos han utilizado destellos de luz láser para comprender el funcionamiento interno del microcosmos. Tales destellos de láser pueden ahora rastrear procesos microscópicos ultrarrápidos dentro de los sólidos. Aún así no pueden resolver espacialmente los electrones, es decir, ver cómo los electrones ocupan el diminuto espacio entre los átomos en los cristales, y cómo forman los enlaces químicos que mantienen a los átomos unidos. La razón es conocida desde hace mucho tiempo. Fue descubierta por Abbe hace más de un siglo. La luz visible sólo puede discernir objetos de tamaño conmensurable a su longitud de onda que es de aproximadamente unos pocos cientos de nanómetros. Pero para ver los electrones, los microscopios tienen que aumentar su poder de aumento unos miles de veces.

Para superar esta limitación, Goulielmakis y sus colaboradores tomaron un camino diferente. Desarrollaron un microscopio que funciona con potentes pulsos de láser. Llamaron a su dispositivo el Picoscopio de Luz. "Un poderoso pulso de láser puede forzar a los electrones dentro de los materiales cristalinos a convertirse en los fotógrafos del espacio que los rodea." Cuando el pulso de láser penetra dentro del cristal, puede agarrar un electrón y conducirlo a un rápido movimiento de meneo. "A medida que el electrón se mueve, siente el espacio a su alrededor, al igual que su coche siente la superficie irregular de una carretera llena de baches", dijo Harshit Lakhotia, un investigador del grupo. Cuando los electrones impulsados por el láser cruzan un bache hecho por otros electrones o átomos, se desacelera y emite radiación a una frecuencia mucho más alta que la de los láseres. "Al registrar y analizar las propiedades de esta radiación, podemos deducir la forma de estas diminutas protuberancias, y podemos hacer dibujos que muestren dónde la densidad de electrones en el cristal es alta o baja", dijo Hee-Yong Kim, un investigador de doctorado en los Laboratorios de Fotónica Extrema. "La Picoscopia Láser combina la capacidad de observar la mayor parte de los materiales, como los rayos X, y la de sondear los electrones de valencia. Esto último es posible mediante el escaneo de microscopios de túnel, pero sólo en superficies".

"Con un microscopio capaz de sondear, la densidad de electrones de valencia, pronto podremos comparar el rendimiento de las herramientas de física del estado sólido computacional", dijo Sheng Meng, del Instituto de Física de Pekín, y un físico teórico del estado sólido en el equipo de investigación. "Podemos optimizar los modernos modelos de última generación para predecir las propiedades de los materiales con un detalle cada vez más fino. Este es un aspecto emocionante que la picoscopia láser aporta", continúa.

Ahora los investigadores están trabajando en el desarrollo de la técnica. Planean sondear los electrones en tres dimensiones y seguir comparando el método con una amplia gama de materiales, incluyendo 2-D y materiales topológicos. "Debido a que la picoscopia láser puede ser fácilmente combinada con técnicas láser de tiempo resuelto, pronto será posible grabar películas reales de electrones en materiales. Este es un objetivo largamente buscado en las ciencias ultrarrápidas y en las microscopias de la materia" concluye Goulielmakis.

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