Los electrones en el líquido cuántico ganan energía de los pulsos láser

Los hallazgos abren nuevas puertas a la microscopía electrónica ultrarrápida

14.07.2021 - Austria

Se ha demostrado por primera vez la absorción de energía de la luz láser por parte de electrones libres en un líquido. Hasta ahora, este proceso sólo se observaba en la fase gaseosa. El hallazgo, dirigido por la Universidad Tecnológica de Graz, abre nuevas puertas a la microscopía electrónica ultrarrápida.

La investigación y el desarrollo de los materiales dependen fundamentalmente de la capacidad de observar los objetos más pequeños en las escalas de tiempo más rápidas. La resolución espacial necesaria para las investigaciones en el rango (sub)atómico puede lograrse con la microscopía electrónica. Sin embargo, para los procesos más rápidos, que se desarrollan en unos pocos femtosegundos (cuatrillonésimas de segundo), la resolución temporal de los microscopios electrónicos convencionales es insuficiente. Para mejorar la duración de los pulsos de electrones, habría que seleccionar los electrones dentro de una ventana de tiempo más corta, por analogía con el obturador de una cámara, que controla el tiempo de exposición en fotografía.

En principio, esta selección temporal es posible con pulsos láser extremadamente cortos mediante un proceso denominado dispersión de electrones asistida por láser (LAES). En este proceso, los electrones pueden absorber energía del campo luminoso durante las colisiones con los átomos de la muestra investigada. "La información estructural la proporcionan todos los electrones, pero los que tienen un nivel de energía más alto pueden asignarse a la ventana temporal en la que estuvo presente el pulso de luz. Con este método, es posible seleccionar una ventana temporal corta del pulso de electrones largo y mejorar así la resolución temporal", explica Markus Koch, profesor del Instituto de Física Experimental de la Universidad Tecnológica de Graz. Hasta ahora, sin embargo, los procesos de LAES sólo se han observado en la fase gaseosa, a pesar de que se investigan desde hace unos 50 años.

Markus Koch y su equipo, en colaboración con investigadores del Instituto de Fotónica de la Universidad Tecnológica de Viena y del Instituto de Química de la Universidad Metropolitana de Tokio, han demostrado ahora por primera vez que la dispersión de electrones asistida por láser puede observarse también en la materia condensada, concretamente en el helio superfluido.

Helio superfluido que conduce al éxito

Los investigadores de la Universidad Técnica de Graz realizaron el experimento en una gota de helio superfluido de unos pocos nanómetros de diámetro (3-30 nm), en la que cargaron átomos individuales (indio o xenón) o moléculas (acetona) que sirvieron de fuente de electrones, un campo de experiencia en el instituto. "Los electrones libres pueden moverse casi sin fricción dentro de la gota y absorber más energía en el campo luminoso de la que pierden en las colisiones con los átomos de helio", explica Leonhard Treiber, estudiante de doctorado encargado del experimento. La aceleración resultante permite observar electrones mucho más rápidos.

Los experimentos pudieron interpretarse en colaboración con Markus Kitzler-Zeiler, experto en procesos de campo fuerte de la Universidad de Viena, y el proceso LAES fue confirmado mediante simulaciones por Reika Kanya, de la Universidad Metropolitana de Tokio. Los resultados se publicaron en Nature Communications.

En el futuro, el proceso LAES se estudiará en películas finas de diversos materiales, también producidas dentro de gotas de helio, para determinar parámetros importantes como el grosor óptimo de la película o la intensidad favorable de los pulsos láser para su aplicación en un microscopio electrónico.

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