Un sensor espacio-tiempo captura la interación entre luz y materia

Un sensor espacio-tiempo captura la interación entre luz y materia
Universo. XY

Físicos han desarrollado un microscopio electrónico de attosegundo que permite visualizar la dispersión de la luz en el tiempo y el espacio y observar los movimientos de los electrones en los átomos .

La más básica de todas las interacciones físicas en la naturaleza es la que existe entre la luz y la materia. Esta interacción tiene lugar en tiempos attosegundos (es decir, milmillonésimas de una milmillonésima de segundo). Lo que ocurre exactamente en un tiempo tan asombrosamente corto hasta ahora ha permanecido en gran medida inaccesible.

Ahora un equipo de investigación dirigido por Peter Baum y Yuya Morimoto en el Laboratorio de Física de Attosegundos (LAP), una empresa de colaboración entre LMU Munich y el Instituto Max Planck de Optica Cuántica (MPQ), ha desarrollado un nuevo modo de microscopia del electrón, que permite observar esta interacción fundamental en tiempo y espacio reales.

Para visualizar los fenómenos que ocurren en la escala de attosegundos, como la interacción entre la luz y los átomos, se necesita un método que mantenga el ritmo de los procesos ultrarrápidos a una resolución espacial en la escala atómica.

Para cumplir con estos requisitos, Baum y Morimoto hacen uso del hecho de que los electrones, como partículas elementales, también poseen propiedades de onda y pueden comportarse como los llamados paquetes de ondas.

Los investigadores dirigen un haz de electrones sobre una fina lámina dieléctrica, donde la onda de electrones se modula mediante irradiación con un láser orientado ortogonalmente. La interacción con el campo óptico oscilante alternadamente acelera y desacelera los electrones, lo que conduce a la formación de un tren de impulsos de attosegundos. Estos paquetes de ondas consisten en aproximadamente 100 pulsos individuales, cada uno de los cuales dura aproximadamente 800 attosegundos.

A los efectos de la microscopía, estos trenes de pulsos de electrones tienen una gran ventaja sobre las secuencias de pulsos ópticos de attosegundos: tienen una longitud de onda mucho más corta.

Por lo tanto, se pueden emplear para observar partículas con dimensiones de menos de 1 nanómetro, como los átomos. Estas características hacen que los trenes de pulsos de electrones ultracortos sean una herramienta ideal para monitorear, en tiempo real, los procesos ultrarrápidos iniciados por el impacto de las oscilaciones de luz sobre la materia.

En sus dos primeras pruebas experimentales del nuevo método, los investigadores de Munich convirtieron sus trenes de impulsos de attosegundos en un cristal de silicio y pudieron observar cómo se propagan los ciclos de luz y cómo los paquetes de ondas electrónicas se refractan, difractan y dispersan en el espacio y el tiempo .

En el futuro, este concepto les permitirá medir directamente cómo se comportan los electrones en el cristal en respuesta a los ciclos de luz, el efecto primario de cualquier interacción luz-materia. En otras palabras, el procedimiento logra una resolución subatómica y subligera, y los físicos de LAP ahora pueden monitorear estas interacciones fundamentales en tiempo real.

Su próximo objetivo es generar paquetes de ondas de electrones de un solo attosegundo, para seguir lo que ocurre durante las interacciones subatómicas con una precisión aún mayor. El nuevo método podría encontrar aplicación en el desarrollo de metamateriales.

Los metamateriales son artificiales, es decir, nanoestructuras diseñadas, cuya permitividad eléctrica y permeabilidad magnética difieren significativamente de las de los materiales convencionales. Esto a su vez da lugar a fenómenos ópticos únicos, que abren nuevas perspectivas en óptica y optoelectrónica. De hecho, los metamateriales bien pueden servir como componentes básicos en futuras computadoras impulsadas por la luz.

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