Desarrollan un microscopio que puede ver electrones en movimiento

Imagine tener una cámara tan potente que pueda tomar fotografías congeladas de un electrón en movimiento, un objeto que viaja tan rápido que podría dar muchas vueltas alrededor de la Tierra en un segundo. Investigadores de la Universidad de Arizona han desarrollado el microscopio electrónico más rápido del mundo que puede hacer precisamente eso.

Creen que su trabajo conducirá a avances innovadores en física, química, bioingeniería, ciencias de los materiales y más.

"Cuando se adquiere la última versión de un teléfono inteligente, viene con una cámara mejor", dijo Mohammed Hassan , profesor asociado de Física y Ciencias Ópticas. "Este microscopio electrónico de transmisión es como una cámara muy potente en la última versión de los teléfonos inteligentes; nos permite tomar fotografías de cosas que antes no podíamos ver, como los electrones. Con este microscopio, esperamos que la comunidad científica pueda comprender la física cuántica detrás de cómo se comporta un electrón y cómo se mueve un electrón".

Hassan dirigió un equipo de investigadores de la Universidad de Arizona que publicó el artículo de investigación "Microscopía electrónica de attosegundos y difracción" en la revista Science Advances.

Microscopio óptico

Un microscopio electrónico de transmisión es una herramienta que utilizan los científicos e investigadores para ampliar objetos hasta millones de veces su tamaño real con el fin de ver detalles demasiado pequeños para que un microscopio óptico tradicional los detecte. En lugar de utilizar luz visible, un microscopio electrónico de transmisión dirige haces de electrones a través de la muestra que se está estudiando. La interacción entre los electrones y la muestra es captada por lentes y detectada por un sensor de cámara para generar imágenes detalladas de la muestra.

Los microscopios electrónicos ultrarrápidos que utilizan estos principios se desarrollaron por primera vez en la década de 2000 y utilizan un láser para generar haces de electrones pulsados. Esta técnica aumenta enormemente la resolución temporal de un microscopio, es decir, su capacidad para medir y observar cambios en una muestra a lo largo del tiempo. En estos microscopios ultrarrápidos, en lugar de depender de la velocidad del obturador de una cámara para determinar la calidad de la imagen, la resolución de un microscopio electrónico de transmisión está determinada por la duración de los pulsos de electrones.

Cuanto más rápido sea el pulso, mejor será la imagen

Los microscopios electrónicos ultrarrápidos funcionaban anteriormente emitiendo un tren de pulsos de electrones a velocidades de unos pocos attosegundos. Un attosegundo es una quintillonésima parte de un segundo. Los pulsos a estas velocidades crean una serie de imágenes, como fotogramas de una película, pero los científicos seguían sin ver las reacciones y los cambios que se producen en un electrón entre esos fotogramas. Para ver un electrón congelado en su lugar, los investigadores de la Universidad de Alberta generaron por primera vez un pulso de electrones de un solo attosegundo, que es tan rápido como se mueven los electrones, mejorando así la resolución temporal del microscopio, como una cámara de alta velocidad que capta movimientos que de otro modo serían invisibles.

Hassan y sus colegas basaron su trabajo en los logros del Premio Nobel Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L'Huilliere, quienes ganaron el Premio Nobel de Física en 2023 después de generar el primer pulso de radiación ultravioleta extrema tan corto que podía medirse en attosegundos.

Utilizando ese trabajo como punto de partida, los investigadores desarrollaron un microscopio en el que un potente láser se divide y se convierte en dos partes: un pulso de electrones muy rápido y dos pulsos de luz ultracortos. El primer pulso de luz, conocido como pulso de bombeo, alimenta energía a una muestra y hace que los electrones se muevan o experimenten otros cambios rápidos. El segundo pulso de luz, también llamado pulso de compuerta óptica, actúa como una compuerta al crear una breve ventana de tiempo en la que se genera el pulso de electrones de un solo attosegundo. Por lo tanto, la velocidad del pulso de compuerta determina la resolución de la imagen. Al sincronizar cuidadosamente los dos pulsos, los investigadores controlan cuándo los pulsos de electrones exploran la muestra para observar procesos ultrarrápidos a nivel atómico.

"La mejora de la resolución temporal en el interior de los microscopios electrónicos ha sido esperada desde hace tiempo y ha sido el foco de atención de muchos grupos de investigación, porque todos queremos ver el movimiento de los electrones", dijo Hassan. "Estos movimientos ocurren en attosegundos. Pero ahora, por primera vez, podemos alcanzar una resolución temporal de attosegundos con nuestro microscopio electrónico de transmisión, y lo hemos llamado 'attomicroscopía'. Por primera vez, podemos ver fragmentos del electrón en movimiento".