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(noticias nanowerk) El control preciso de los haces de electrones en los llamados microscopios electrónicos de transmisión (TEM) permite el análisis de materiales o moléculas a nivel atómico. Combinados con pulsos de luz cortos, estos dispositivos también se pueden utilizar para analizar procesos dinámicos. Investigadores de Göttingen y Suiza han demostrado por primera vez cómo los electrones en un dispositivo microscópico de almacenamiento de luz pueden diferenciar entre estados complejos de luz en un TEM.
¿Cómo podemos utilizar la luz para almacenar información? ¿O usarlo para transferir datos a la velocidad del rayo? El campo de investigación de la fotónica aborda estas y muchas otras cuestiones. La fotónica integrada moderna permite, por ejemplo, guiar o manipular la luz en canales en un microchip. También se pueden utilizar los llamados procesos ópticos no lineales, en los que se crean nuevos colores o pulsos de luz extremadamente cortos para intensidades de luz muy altas. Estas tecnologías ya se utilizan en telecomunicaciones, para mediciones ópticas de distancia y velocidad y en computación cuántica.
Recientemente, han surgido cada vez más nuevas interfaces entre la fotónica y otros campos de investigación, como la microscopía electrónica. Por ejemplo, ahora los microchips ópticos pueden influir en los haces de electrones. Los electrones, a su vez, pueden utilizarse para medir campos luminosos. Cuando un electrón atraviesa un campo de luz intenso, acelera o desacelera según el tiempo de llegada y la intensidad del campo. Los científicos pueden entonces sacar conclusiones directas sobre las propiedades de la luz a partir del cambio de velocidad del electrón.
Diferentes condiciones de luz analizadas.
En un nuevo estudio publicado en la revista Ciencia Un equipo dirigido por Claus Ropers del Instituto Max Planck (MPI) de Ciencias Multidisciplinares de Gotinga y Tobias Kippenberg del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana (EPFL) descubrió (“Interacción de electrones libres con estados ópticos no lineales en microresonadores”) que ahora son varios Procesos ópticos no lineales que utilizan un haz de electrones. Para ello, colocaron un dispositivo de almacenamiento de luz en forma de anillo, el llamado microresonador, en un TEM y generaron luz con diferentes formas de onda. Gracias a la interacción característica con el haz de electrones, pudieron analizar en detalle los diferentes estados de la luz.
«Si colocamos el haz de electrones de manera que los electrones pasen volando por los resonadores, podemos medir exactamente la influencia del campo luminoso sobre la energía de los electrones», explica Jan-Wilke Henke del MPI. Su colega Jasmin Kappert añade: «Cada una de las posibles formas de onda de la luz deja una huella característica en el espectro electrónico, lo que nos permite seguir la aparición de los diferentes estados». Los dos estudiantes de doctorado llevaron a cabo los experimentos en el Laboratorio de Transmisión Ultrarrápida. Microscopía electrónica en el MPI de Göttingen. El equipo de Lausana desarrolló los chips fotónicos necesarios.
Los pulsos de luz duran menos de una décima de billonésima de segundo
Sin embargo, los investigadores no sólo lograron caracterizar los campos luminosos basándose en su efecto sobre los electrones: «En nuestros experimentos también generamos los llamados solitones: pulsos de luz estables y ultracortos con una duración de menos de una décima parte de una billonésima parte de un segundo», explica el físico Yujia Yang de la EPFL. La capacidad de generar solitones en un TEM amplía el uso de ópticas no lineales y microresonadores a áreas inexploradas, afirma Tobias Kippenberg. «La interacción entre electrones y solitones podría, entre otras cosas, permitir la microscopía electrónica ultrarrápida con una tasa de repetición sin precedentes».
El director de Max Planck, Claus Ropers, añade: «Nuestros resultados muestran que la microscopía electrónica es ideal para estudiar la dinámica óptica no lineal en la nanoescala». También suponemos que habrá muchas más aplicaciones para esta tecnología en el futuro, tanto para la manipulación espacial como temporal de haces de electrones”.
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