Nuevo método de análisis para nanomateriales y materiales cuánticos

Microscopía electrónica para crear películas ultrarrápidas de nanoprocesos

27.02.2023 - Alemania

Una película a cámara lenta en los canales de televisión de deportes muestra procesos en centésimas de segundo. En cambio, los procesos a nanoescala tienen lugar en el llamado rango de los femtosegundos: Por ejemplo, un electrón sólo necesita milmillonésimas de segundo para orbitar un átomo de hidrógeno. Físicos de todo el mundo utilizan instrumentos especiales para captar estos nanoprocesos ultrarrápidos en películas. Investigadores de la Universidad de Kiel (CAU) han desarrollado un nuevo método para este tipo de películas que se basa en un concepto físico diferente y permite así opciones de investigación más amplias y precisas. Para ello, combinaron un microscopio electrónico con películas finas metálicas nanoestructuradas que generan pulsos de luz muy cortos. En un primer experimento, pudieron así documentar las interacciones coherentes de la luz y los electrones en un semiconductor sobre película. Sus resultados se publican en la prestigiosa revista científica Nature Physics.

El nuevo método es más sencillo y rentable

Hasta ahora, las películas que mostraban nanoprocesos ultrarrápidos solían producirse utilizando láseres de alta potencia combinados con microscopios electrónicos. Pero sólo unos pocos grupos de investigación pueden permitirse estos aparatos tan grandes y complejos. "Nuestro concepto no requiere láseres caros y complicados y puede reproducirse fácilmente", afirma Nahid Talebi, catedrática de Física Experimental del CAU.

Los microscopios electrónicos reúnen electrones en un haz, lo aceleran y lo dirigen a una muestra de material. La forma en que los electrones atraviesan la muestra o se reflejan permite sacar conclusiones sobre las propiedades de los materiales y los procesos que tienen lugar en su interior. "Los microscopios electrónicos tienen una resolución espacial significativamente mejor que los microscopios ópticos y hacen posible, en primer lugar, las investigaciones en el rango nanométrico", afirma Talebi. Los componentes especiales que ha desarrollado hacen que sea relativamente fácil mejorar también la resolución temporal de los microscopios electrónicos y convertirlos en sus versiones ultrarrápidas. De este modo, los procesos a nanoescala también pueden captarse ahora en películas ultrarrápidas en la escala temporal de los femtosegundos sin láser.

Con su nueva publicación, Talebi no sólo demuestra que su método funciona. Junto con su investigador asociado, el Dr. Masoud Taleb, también aporta pruebas experimentales de interacciones coherentes de fotones y electrones en un semiconductor, que hasta ahora sólo se habían descrito teóricamente. El material cuántico diseleniuro de wolframio, WSe2, utilizado para este fin tiene su origen en una colaboración con el profesor Kai Rossnagel dentro del área prioritaria de investigación KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) de la Universidad de Kiel.

Un metal nanoestructurado genera pulsos de luz cortos

Un componente central del concepto de Talebi es una nanoestructura especial parecida a un colador de cocina. Puede insertarse en un microscopio electrónico, donde funciona como una fuente de luz, denominada "EDPHS" (electron-driven photon source). Cuando un haz de electrones incide sobre esta estructura metálica, el patrón de agujeros genera pulsos de luz cortos y selectivos que pueden utilizarse para fabricar películas rápidas. Para crear la estructura especial, los investigadores taladraron diminutos agujeros de 25 a 200 nanómetros en una fina lámina de oro. Talebi había calculado con precisión el tamaño y las distancias, porque los pulsos de luz sólo se producen con un determinado patrón de agujeros. Los "nanofiltros" se fabricaron en estrecha colaboración con el Dr. Mario Hentschel, del grupo de investigación del profesor Harald Giessen, de la Universidad de Stuttgart. Junto con sus colegas de Amsterdam, Talebi había modificado previamente el microscopio electrónico para que pudiera detectar la catodoluminiscencia. Estas señales luminosas se generan cuando electrones rápidos chocan con un metal.

Interacciones entre electrones y fotones documentadas en películas

En el experimento descrito en la presente publicación, los breves pulsos de luz procedentes de las nanoestructuras en forma de tamiz golpean la muestra de semiconductor a la velocidad de la luz. Allí excitan excitones, las llamadas cuasipartículas. Se trata de electrones que se han desprendido de un átomo y siguen acoplados al hueco que crearon ("pares electrón-hueco"). "Si poco después el haz de electrones más lento incide también sobre la muestra de semiconductor, podemos ver por la reacción de los electrones cómo se han comportado los excitones mientras tanto", explica Talebi.
Las señales de catodoluminiscencia resultantes de la superposición del haz de electrones y los pulsos de luz muestran una interacción coherente entre electrones y fotones.

Para poder captar estos procesos en una película, los investigadores también integraron un cristal piezoeléctrico en el montaje del microscopio. Esto les permite cambiar con precisión la distancia espacial entre la fuente de luz y la muestra, y por tanto también la distancia temporal entre los pulsos de luz incidente y los electrones. "De este modo, se pueden tomar imágenes en distintas fases del proceso y ensamblarlas en una película", resume Talebi.

Muchos años de trabajo preliminar

Talebi ya trabajaba en un concepto para crear películas de femtosegundos con el microscopio electrónico sin necesidad de láser cuando era investigadora asociada en el Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido de Stuttgart. Para combinar microscopios electrónicos con luz y aumentar así su resolución temporal, recibió financiación del Consejo Europeo de Investigación (ERC) con una ERC Starting Grant de 1,5 millones de euros. Desde 2019, la física teórica y experimental ha estado realizando su proyecto en su propio grupo de investigación "Nano-Optics" en CAU. Uno de los focos de este campo de investigación relativamente joven son las interacciones de la luz y la materia a nanoescala. Una mejor comprensión de este fenómeno ha permitido, por ejemplo, crear fuentes de luz cuántica especialmente eficientes que pueden utilizarse para transmitir información cifrada de forma segura en circuitos ópticos.

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