Científicos de Arizona crean el microscopio más rápido del mundo > congela el tiempo en una quintillonésima de segundo

Imagina poseer una cámara tan poderosa que pueda capturar fotografías de un electrón en movimiento, un objeto tan rápido que podría dar varias vueltas a la Tierra en un segundo. Investigadores de la Universidad de Arizona han desarrollado el microscopio electrónico más rápido del mundo, capaz de realizar esta hazaña. Creen que su trabajo conducirá a avances revolucionarios en física, química, bioingeniería, ciencias de materiales y mucho más.

Microscopía de electrones en movimiento

«Cuando obtienes la última versión de un smartphone, viene con una mejor cámara«, explicó Mohammed Hassan, profesor asociado de física y ciencias ópticas. «Este microscopio electrónico de transmisión es como una cámara muy poderosa en la última versión de un smartphone; nos permite tomar imágenes 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.«

Hassan lideró un equipo de investigadores de la Universidad de Arizona en física y ciencias ópticas, quienes publicaron el artículo «Microscopía y Difracción Electrónica en Attosegundos» en la revista Science Advances. Entre los colaboradores se encuentran Nikolay Golubev, profesor asistente de física; Dandan Hui, coautor principal y exinvestigador asociado en óptica y física; Husain Alqattan, coautor principal y profesor asistente de física en la Universidad de Kuwait; y Mohamed Sennary, estudiante de posgrado en óptica y física.

Un microscopio electrónico de transmisión es una herramienta utilizada por científicos e investigadores para magnificar objetos hasta millones de veces su tamaño real, permitiendo ver detalles demasiado pequeños para ser detectados por un microscopio de luz tradicional. 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 capturada por lentes y detectada por un sensor de cámara para generar imágenes detalladas de la muestra.

Los microscopios electrónicos ultrarrápidos, basados en estos principios, se desarrollaron por primera vez en la década de 2000 y utilizan un láser para generar pulsos de electrones. Esta técnica aumenta significativamente 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 la 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 es el pulso, mejor es la imagen.

Anteriormente, los microscopios electrónicos ultrarrápidos operaban emitiendo trenes de pulsos de electrones a velocidades de unos pocos attosegundos. Un attosegundo es una milmillonésima de milmillonésima de segundo. Los pulsos a estas velocidades crean una serie de imágenes, como fotogramas en una película, pero los científicos aún se perdían las reacciones y cambios en un electrón que ocurren entre esos fotogramas. Para poder ver un electrón congelado en su lugar, los investigadores de la Universidad de Arizona, por primera vez, generaron un único pulso de electrones de attosegundos, lo que mejora la resolución temporal del microscopio, similar a una cámara de alta velocidad que captura movimientos que de otro modo serían invisibles.

Hassan y sus colegas basaron su trabajo en los logros galardonados con el Premio Nobel de Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L’Huillier, 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 de la Universidad de Arizona desarrollaron un microscopio en el cual un potente láser se divide y convierte en dos partes: un pulso de electrones extremadamente rápido y dos pulsos de luz ultracortos. El primer pulso de luz, conocido como pulso de bombeo, introduce energía en 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, creando una breve ventana de tiempo en la cual se genera el pulso de electrones de attosegundos. La velocidad del pulso de compuerta, por lo tanto, dicta la resolución de la imagen. Al sincronizar cuidadosamente los dos pulsos, los investigadores controlan cuándo los pulsos de electrones sondean la muestra para observar procesos ultrarrápidos a nivel atómico.

«La mejora de la resolución temporal dentro de los microscopios electrónicos ha sido esperada durante mucho tiempo y ha sido el enfoque 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, somos capaces de alcanzar una resolución temporal de attosegundos con nuestro microscopio electrónico de transmisión, y lo denominamos ‘attomicroscopía’. Por primera vez, podemos ver partes del electrón en movimiento.«

Este avance tiene implicaciones significativas para el estudio de la ecología y la sostenibilidad, ya que la comprensión profunda de los materiales a nivel atómico puede llevar al desarrollo de nuevas tecnologías y materiales sostenibles. Por ejemplo, el análisis de materiales avanzados para paneles solares podría optimizar su eficiencia, haciendo la energía solar más accesible y efectiva. Asimismo, en el ámbito de las energías renovables, este nivel de detalle podría facilitar la creación de mejores baterías y sistemas de almacenamiento de energía, esenciales para una transición energética sostenible.

Vía arizona.edu