"Huellas ópticas" en un haz de electrones
Los investigadores observan procesos ópticos no lineales en el microscopio electrónico
El control preciso de los haces de electrones en los llamados microscopios electrónicos de transmisión (MET) permite analizar materiales o moléculas a nivel atómico. Combinados con pulsos de luz cortos, estos dispositivos también pueden utilizarse para analizar procesos dinámicos. Investigadores de Gotinga y Suiza han demostrado ahora por primera vez cómo los electrones pueden distinguir estados de luz complejos en un almacenamiento microscópico de luz en un MET.
¿Cómo podemos utilizar la luz para almacenar información? ¿O utilizarla para transmitir datos a la velocidad del rayo? El campo de investigación de la fotónica se ocupa de estas y otras muchas cuestiones. La fotónica integrada moderna permite, por ejemplo, guiar o manipular la luz en los canales de un microchip. También se pueden utilizar los llamados procesos ópticos no lineales, en los que se crean nuevos colores o pulsos de luz extremadamente cortos para intensidades de luz muy altas. Estas tecnologías ya se utilizan en telecomunicaciones, en mediciones ópticas de distancia y velocidad y en computación cuántica.
Recientemente han surgido nuevas interfaces entre la fotónica y otros campos de investigación, como la microscopía electrónica. Por ejemplo, los microchips ópticos han conseguido recientemente influir en los haces de electrones. A su vez, los electrones pueden utilizarse para medir campos luminosos. Cuando un electrón atraviesa un campo luminoso intenso, se acelera o desacelera en función de su tiempo de llegada y de la intensidad del campo. Así, los científicos pueden extraer conclusiones directas sobre las propiedades de la luz a partir del cambio de velocidad del electrón.
En un nuevo estudio publicado en la revista Science, un equipo dirigido por Claus Ropers, del Instituto Max Planck (MPI) de Ciencias Multidisciplinares de Gotinga, y Tobias Kippenberg, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), ha investigado varios procesos ópticos no lineales utilizando un haz de electrones. Para ello, colocaron un dispositivo de almacenamiento de luz en forma de anillo, el llamado microresonador, en un TEM y generaron en él luz con diferentes formas de onda. A partir de la interacción característica con el haz de electrones, pudieron analizar en detalle los distintos estados de la luz.
"Si colocamos el haz de electrones de tal forma que éstos pasen volando por los resonadores, podemos medir la influencia exacta del campo luminoso en la energía de los electrones", explica Jan-Wilke Henke, del MPI. Su colega Jasmin Kappert añade: "Cada una de las posibles formas de onda de la luz deja una huella característica en el espectro de electrones, lo que nos permite rastrear la formación de los distintos estados". Los dos doctorandos llevaron a cabo los experimentos en el Laboratorio de Microscopía Electrónica de Transmisión Ultrarrápida del MPI de Gotinga. Los chips fotónicos necesarios fueron desarrollados por el equipo de Lausana.
Sin embargo, los investigadores no sólo consiguieron caracterizar los campos de luz en función de su efecto sobre los electrones: "En nuestros experimentos también generamos los llamados solitones, pulsos de luz estables y ultracortos que duran menos de una décima de billonésima de segundo", explica el físico Yujia Yang, de la EPFL. La posibilidad de generar solitones en un TEM amplía el uso de la óptica no lineal y los microresonadores a áreas inexploradas, afirma Tobias Kippenberg. "La interacción entre electrones y solitones podría, entre otras cosas, hacer posible la microscopía electrónica ultrarrápida con una tasa de repetición sin precedentes".
El director del Max Planck, Claus Ropers, añade: "Nuestros resultados demuestran que la microscopía electrónica es idónea para investigar la dinámica óptica no lineal en la nanoescala. También suponemos que habrá muchas más aplicaciones para esta tecnología en el futuro, tanto para la manipulación espacial como temporal de haces de electrones."
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