Un equipo de físicos especializados en Óptica, de la Universidad estadounidense de Arizona, ha diseñado y desarrollado un microscopio electrónico de transmisión que tiene la peculiaridad de capturar imágenes de electrones en movimiento. Esta partícula elemental viaja tan rápido que en un segundo podría dar muchas vueltas alrededor de la Tierra.
Hacemos un paréntesis para recordar que el premio Nobel de Física de 2023 se concedió a Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L’Huillier, “por sus revolucionarios métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para estudiar la dinámica de los electrones en la materia”.
Los movimientos rápidos de los electrones, que ocurren en fracciones de un attosegundo, suelen ser imperceptibles para las personas. Un attosegundo es una fracción de tiempo tan breve que, en un segundo, caben tantos attosegundos como segundos desde el inicio del Universo.
Dicho de otra forma, aunque para la mayoría de los mortales pueda parecer un juego de palabras: un attosegundo es una milmillonésima de milmillonésima de segundo.
Además y como subrayó la Academia de Ciencias sueca, en octubre pasado, cuando se concedió este premio Nobel, los pulsos de attosegundos también podrían usarse en diagnóstico médico para identificar distintas moléculas.
El profesor Mohammed Tharwat Hassan, director del estudio que ahora difunde Sciences Advances, explica muy gráficamente su trabajo: “este microscopio electrónico de transmisión es como una cámara muy potente en la última versión de los teléfonos inteligentes; 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 que se esconde detrás de cómo se comporta y se mueve un electrón«.
Microscopio electrónico ultrarrápido
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 que un microscopio óptico tradicional no los detecta. En lugar de utilizar luz visible, dirige haces de electrones a través de la muestra que se quiere estudiar. La interacción entre los electrones y el objeto en cuestión la captan lentes y la detecta un sensor de cámara, para generar imágenes detalladas.
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 -según los especialistas- 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 se determina 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 también se define como 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 que se producen en un electrón entre esos fotogramas, a medida que evoluciona en tiempo real.
Attomicroscopía
Para 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.
El microscopio que desarrollaron tiene, entre otras peculiaridades, un potente láser que 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 la muestra con energía y hace que los electrones se muevan o experimenten otros cambios rápidos. El segundo, también llamado pulso de compuerta óptica, crea 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.
En este punto, el profesor Hassan detalla que “la mejora de la resolución temporal en el interior de los microscopios electrónicos se ha esperado desde hace tiempo y ha sido el foco de atención de muchos grupos de investigación, porque todos queremos ver el movimiento de los electrones. 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«.
