Los científicos desarrollan el microscopio más rápido del mundo: es tan rápido que puede capturar electrones en movimiento

Los físicos de la Universidad de Arizona han logrado avances significativos en la obtención de imágenes del mundo subatómico. Han desarrollado el microscopio electrónico más rápido del mundo, capaz de capturar eventos que duran sólo un attosegundo, una cuantillonésima de segundo.

Estos instrumentos avanzados son vitales para el estudio de procesos ultrarrápidos. El «atomicroscopio» funciona a una escala que eclipsa incluso a las cámaras más rápidas. Básicamente, congela el tiempo para observar eventos a nivel de partículas, incluidos los electrones en movimiento. Un attosegundo es un momento sorprendentemente corto: hay tantos attosegundos en un segundo como segundos en 31,7 mil millones de años.

Cojo el ritmo

Los microscopios electrónicos magnifican objetos dirigiendo haces de electrones a través de una muestra. Pero, tradicionalmente, están limitados en la forma en que capturan el movimiento. Las lentes de la cámara capturan la interacción entre los electrones y la muestra, y un sensor de la cámara la detecta para generar imágenes detalladas de la muestra.

Si bien las innovaciones pasadas permitieron a los científicos observar el comportamiento de los electrones a lo largo del tiempo, aún faltaban detalles cruciales. Era el equivalente microscópico de ver una película en cámara lenta pero con molestos fotogramas faltantes en el medio.

Hasta ahora, el evento más corto jamás registrado tuvo una duración de 43 attosegundos, un logro descrito anteriormente como «el evento controlado más corto jamás creado por la humanidad». Sin embargo, el equipo de la Universidad de Arizona ha superado esto al lograr una resolución de attosegundos sin precedentes. Cuanto más rápido sea el pulso, mejor será la calidad de la imagen.

«Cuando obtienes la última versión de un teléfono inteligente, viene con una cámara mejor», afirmó el profesor asociado Mohammed Hassan. “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 habíamos podido ver antes, como los electrones. Con este microscopio, esperamos que la comunidad científica pueda comprender la física cuántica detrás de cómo se comporta y se mueve un electrón».

La investigación se basa en el trabajo ganador del Premio Nobel de 2023 de Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L’Huillier, quienes fueron pioneros en la creación de pulsos de luz ultracortos en el rango de attosegundos. Al perfeccionar estas técnicas y aplicarlas a la microscopía electrónica, el equipo de la Universidad de Arizona ha abierto una nueva frontera en la obtención de imágenes científicas.

Un salto adelante en microscopía

Su sistema de attosegundos implica un potente láser dividido en dos componentes: un pulso de electrones rápidos y dos pulsos de luz ultracortos. El primer pulso de luz, llamado pulso de bomba, energiza una muestra, provocando el movimiento de electrones u otros cambios rápidos. El segundo pulso, conocido como pulso de activación óptica, crea una ventana corta para generar un pulso de electrón de un solo attosegundo. La sincronización de este pulso de activación determina la resolución de la imagen. Al sincronizar con precisión estos pulsos, los investigadores pueden controlar cuándo los pulsos de electrones sondean la muestra, lo que les permite observar procesos ultrarrápidos a nivel atómico.

Este avance está llamado a impactar una amplia gama de campos, desde la física y la química hasta la ciencia de materiales y la bioingeniería. Al proporcionar información sin precedentes sobre el comportamiento de los electrones, el microscopio puede abrir nuevos conocimientos sobre la mecánica cuántica, el desarrollo de nuevos materiales e incluso procesos biológicos a nivel molecular.

«La mejora de la resolución temporal dentro de los microscopios electrónicos se ha anticipado durante mucho tiempo y es el objetivo de muchos grupos de investigación, porque todos queremos ver el movimiento de los electrones», dijo Hassan. “Estos movimientos ocurren en segundos. Pero ahora, por primera vez, podemos lograr una resolución temporal de attosegundos con nuestro microscopio electrónico de transmisión y hemos realizado la «attomicroscopía». Por primera vez podemos ver fragmentos de electrón en movimiento».

Los hallazgos aparecieron en la revista. Avances científicos.