Los campos electromagnéticos de las nanoestructuras se visualizan por primera vez en 3D

30.03.2021 - Austria

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz) y de la Universidad de Graz, junto con expertos de Francia, han logrado obtener imágenes de los llamados fonones de superficie en tres dimensiones por primera vez. El éxito de la investigación podría acelerar el desarrollo de nuevas y eficaces nanotecnologías.

Ya sea para la microscopía, el almacenamiento de datos o la tecnología de sensores, muchas aplicaciones tecnológicas avanzadas que requieren funciones específicas dependen de la estructura del campo electromagnético cerca de las superficies de los materiales. En los nanosistemas, los llamados fonones de superficie, es decir, las distorsiones temporales de la red atómica, contribuyen de forma decisiva a las propiedades físicas y termodinámicas.

Si los fonones de superficie pudieran manipularse de forma específica, sería posible lograr una mejor conducción térmica o transferencia de calor entre dos componentes con nanosuperficies. Esto podría utilizarse, por ejemplo, en detectores, sensores o en sistemas de refrigeración pasiva de gran eficacia. Además, los fonones superficiales concentran la energía electromagnética espectralmente en el rango infrarrojo lejano. Esto abre el camino a la creación de lentes de superresolución, a la mejora de la espectroscopia vibracional o a otras fascinantes aplicaciones.

Campos electromagnéticos en las proximidades de las nanoestructuras

A pesar de su enorme potencial, esta área de la física del estado sólido está aún poco explorada. Para el desarrollo de nuevas nanotecnologías, estos campos deben hacerse visibles primero a escala nanométrica. "La visualización de estos campos locales es el punto de partida para una comprensión más profunda de los fundamentos y para un mejor diseño de las nanoestructuras", afirma Gerald Kothleitner, director del Instituto de Microscopía Electrónica y Nanoanálisis de la Universidad Técnica de Graz. "Los microscopios electrónicos lo suficientemente potentes como para registrar incluso la energía relativamente baja de los fonones sólo se desarrollaron hace unos años. Sin embargo, hasta la fecha sólo se podían medir de forma inadecuada, como mucho en dos dimensiones".

Primera imagen en 3D de los fonones superficiales

Junto con el Laboratoire de Physique des Solides (LPS) de Orsay, Gerald Kothleitner, su colega de instituto Georg Haberfehlner y Ulrich Hohenester, del Instituto de Física de la Universidad de Graz, han conseguido por primera vez obtener imágenes de los fonones superficiales en tres dimensiones. Los resultados se han publicado en la revista Science (https://science.sciencemag.org/content/371/6536/1364/tab-article-info). Kothleitner, autor correspondiente del estudio: "Excitamos estas vibraciones de la red con un haz de electrones, las medimos con métodos espectroscópicos especiales y luego las reconstruimos tomográficamente. Como resultado, los campos de luz infrarroja generados por los fonones de la superficie de un nanocubo de óxido de magnesio se hicieron visibles en tres dimensiones por primera vez, y la distribución espacial fue discernible. En particular, esto también nos permitió obtener imágenes de los sitios con altos aumentos de campo y las fuertes interacciones resultantes de ciertos fonones con el entorno."

El desarrollo de la metodología y la aplicación de la novedosa reconstrucción tomográfica se llevaron a cabo bajo la dirección de la Universidad de Graz. Ulrich Hohenester establece un paralelismo entre la conocida imagen de rayos X y el proceso de tomografía por ordenador: "Se puede crear una reconstrucción 3D del objeto a partir de muchas proyecciones 2D compuestas". En lugar del haz de rayos X, los físicos utilizaron un haz de electrones, que interactúa con campos de luz infrarroja en lugar de huesos y tejidos. "Como en un violín o una guitarra", explica Hohenester, "las vibraciones de la superficie del nanocubo se descomponen en una serie de resonancias. Luego se eligen estos modos para obtener la mejor concordancia posible con los datos experimentales".

Las técnicas de imagen del microscopio electrónico como factor de éxito

La primera evaluación exhaustiva y la representación en 3D de los campos electromagnéticos es un éxito que puede atribuirse a la estrecha colaboración de la TU Graz y la Universidad de Graz en el marco de "NAWI Graz". Para medir estas interacciones radiación-materia a escala nanométrica se utilizó un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) de última generación. Sólo hay un puñado de microscopios de este tipo en el mundo que lo permiten y uno de ellos está en Orsay. El concepto de imagen 3D de los fonones fue desarrollado por Gerald Kothleitner en colaboración con Orsay durante la planificación de un proyecto paneuropeo llamado ESTEEM 3: un proyecto en el que, entre otras cosas, se están desarrollando nuevas técnicas de microscopía electrónica. En el campo de la espectroscopia de pérdida de energía de los electrones aplicada y la tomografía electrónica, los investigadores de la Universidad Técnica de Graz se encuentran entre los principales grupos de trabajo del mundo.

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Publicación original

Xiaoyan Li, Georg Haberfehlner, Ulrich Hohenester, Odile Stéphan, Gerald Kothleitner, Mathieu Kociak; "Three-dimensional vectorial imaging of surface phonon polaritons."; Science, 2021. Vol. 371, Issue 6536.

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