Un microscopio es capaz de detectar electrones en movimiento: ¿cuál es la tecnología detrás de esto?

Observar el micromundo es uno de los grandes desafíos para físicos y químicos que se mantiene desde hace siglos. Además de la limitación tecnológica, existe una limitación física por la que muchos de estos microscopios dependen de la interacción con fotones. En el mundo de las partículas, poder observar estructuras se convierte en un tema complejo porque los fotones pueden atravesarlas sin interactuar.

De esta forma, muchos físicos utilizan otras propiedades de la Mecánica Cuántica para poder observar. Un ejemplo fue en 2013, cuando un grupo de investigadores creó una cámara basada en los efectos cuánticos del electrón. Con esta técnica, el grupo pudo crear una imagen del átomo de hidrógeno que muestra cómo la función de onda describe el comportamiento de los electrones.

Recientemente, físicos de la Universidad de Arizona publicaron un artículo que describe una técnica para observar electrones. Este microscopio se hizo conocido como el más potente del mundo para observar objetos que pueden dar varias vueltas a la Tierra en tan solo un segundo. Se trata de una revolución en la Física para observar el curioso mundo de lo micro.

Electrones

La Física de Partículas es un área que se enfoca en estudiar las partículas que conforman la estructura de la materia. Además, el área también se centra en estudiar interacciones importantes en los procesos que tienen lugar en el universo. El electrón es una de estas partículas subatómicas que pertenece a una clase llamada leptones. Los electrones tienen carga negativa y son atraídos, mediante interacción eléctrica, hacia protones que tienen carga positiva.

Al igual que otras partículas, los electrones también se describen mediante la función de onda y presentan la dualidad partícula-onda. Tiene una naturaleza probabilística que es la naturaleza de la mayoría de los fenómenos de la Mecánica Cuántica. Cuando se observa un electrón, colapsa en un estado, lo que hace imposible observar otros estados en los que ha estado o podría estar.

Imagen de hidrógeno

Por estas características del electrón, es muy utilizado en diversas técnicas y aplicaciones tecnológicas. Un ejemplo ocurrió en 2013, cuando los investigadores anunciaron la primera fotografía de un átomo de hidrógeno. Esta foto sería una nube de probabilidad de la distribución de electrones alrededor del núcleo. El hidrógeno tiene un electrón y un protón.

Utilizando microscopía cuántica e interferometría, el grupo de investigadores utilizó los datos para encontrar las posibles posiciones del electrón. Los datos se utilizaron junto con la ecuación de onda para describir la estructura del átomo de hidrógeno. Además, la foto ayudó a confirmar algunas propiedades de la Mecánica Cuántica, por ejemplo, la descripción de las posibles posiciones que puede obtener el átomo en un átomo. Además de describir cómo funcionan los estados cuánticos de los electrones y los orbitales del hidrógeno.

Microscópio de transmisión electrónica

Una herramienta importante en el estudio de las estructuras atómicas se llama microscopio electrónico de transmisión. Como el uso de la luz para observar tiene limitaciones físicas, este tipo de microscopio utiliza un haz de electrones para registrar estructuras. Los electrones tienen longitudes de onda más cortas que la luz visible y cuando interactúan con otros electrones, producen una imagen de lo que hay en la estructura atómica.

Los microscopios electrónicos de transmisión pueden alcanzar una resolución muy alta, del orden de picómetros. Esta resolución nos permite observar átomos individuales y comprender la composición de cada átomo. En 2023, el Premio Nobel de Física fue para Ferenc Krausz, Pierre Agostini y Anne L'Huillie, quienes introdujeron técnicas y observaciones utilizando un microscopio electrónico de transmisión.

El microscopio más rápido del mundo

A partir del trabajo ganador del Premio Nobel de 2023, el grupo de la Universidad de Arizona ha logrado un gran avance en los microscopios electrónicos de transmisión. En el nuevo tipo de telescopio, un láser se divide en un pulso de electrones y dos pulsos de luz. Un pulso de luz se llama pulso de excitación y proporciona energía a los electrones para moverse. El segundo pulso llamado activación crea una ventana por la que pasa el pulso de electrones.

El pulso de electrones funciona como otros microscopios electrónicos de transmisión, pero la diferencia ahora es la frecuencia. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la resolución de la imagen que se observará. Esta frecuencia depende del pulso de activación y los dos deben sincronizarse cuidadosamente. La respuesta depende de los pulsos de electrones que interactúan con otros electrones para formar la imagen.

Avance en Física

La observación del comportamiento de los electrones proporciona evidencia visual de conceptos en Mecánica Cuántica. Los avances en el campo ayudan a comprender la estructura atómica y aplicar el método científico. Además, existe la posibilidad de aplicación dentro de la tecnología al comprender cómo funcionan los electrones, de la misma manera que se han producido avances en los últimos años desde las pantallas hasta las computadoras.

Referencia de la noticia:

Hui et al. 2024 Attosecond electron microscopy and diffraction Science