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Un nuevo microscopio electrónico ha logrado captar por primera vez electrones en movimiento, a tal velocidad que podrían dar muchas vueltas alrededor de la Tierra en cuestión de un segundo.
Los autores, investigadores de la Universidad de Arizona, creen que su trabajo conducirá a avances revolucionarios en física, química, bioingeniería, ciencias de los materiales y más. El hallazgo se presenta en la revista Science Advances.
"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 no podíamos ver antes, 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", declaró en un comunicado Mohammed Hassan, profesor asociado de Física y Ciencias Ópticas.
Un microscopio electrónico de transmisión es una herramienta utilizada por 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 cualquier muestra que se esté 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 pulsados de electrones. Esta técnica aumenta en gran medida la resolución temporal de un microscopio, 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 anteriormente funcionaban 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 aún no captaban las reacciones y los cambios en un electrón que tienen lugar entre esos fotogramas a medida que evoluciona en tiempo real.
Para poder ver un electrón congelado en su lugar, los investigadores 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 de Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L'Huilliere, ganadores del Premio Nobel de Física en 2023 después de generar el primer pulso de radiación ultravioleta extrema tan corto que podía medirse en attosegundos.
Usando ese trabajo como punto de partida, los investigadores de la U of A 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 una muestra con energía 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 electrónico 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 electrónicos exploran la muestra para observar procesos ultrarrápidos a nivel atómico.
"La mejora de la resolución temporal dentro de los microscopios electrónicos ha sido esperada desde hace mucho tiempo y el foco de atención de muchos grupos de investigación, porque todos queremos ver el movimiento del electrón", dijo Hassan.
"Estos movimientos ocurren en attosegundos. Pero ahora, por primera vez, podemos lograr una resolución temporal de attosegundos con nuestro microscopio electrónico de transmisión, y lo llamamos 'attomicroscopía'. Por primera vez, podemos ver partes del electrón en movimiento".
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