En un avance sin precedentes, un equipo de investigadores de la Universidad de Arizona ha presentado un microscopio que podría dar un vuelco completo de la visión que tenemos de la física a nivel atómico. Publicado en la revista Science Advances, este dispositivo es capaz de capturar la dinámica de los electrones en movimiento, lo que representa un salto monumental en la capacidad de observación de la ciencia moderna. Es una forma de congelar el tiempo.
El desarrollo de esta tecnología es el resultado de años de investigación y perfeccionamiento. Los científicos han logrado superar una de las limitaciones más grandes en la microscopía: la incapacidad de "ver" los electrones mientras se mueven. Hasta ahora, la observación de los electrones en movimiento había sido una tarea casi insuperable, debido a la velocidad y la escala a la que ocurren estos fenómenos.
El artículo está firmado por un equipo de investigadores de la Universidad de Arizona, liderado por el profesor Mohammed Th. Hassan, un destacado físico y experto en ciencias ópticas. Hassan ha estado a la vanguardia en el desarrollo de técnicas avanzadas de microscopía y es conocido por su trabajo en el campo de los pulsos ultrarrápidos. Junto a él, participan Dandan Hui, Husain Alqattan, y Mohamed Sennary, quienes contribuyeron con su experiencia en física aplicada y óptica.
Cómo es el microscopio que "ve" electrones en movimiento
El nuevo microscopio, considerado el más rápido del mundo, opera en escalas de tiempo de attosegundos (un attosegundo es la mil millonésima parte de un nanosegundo), lo que permite a los científicos observar eventos que ocurren en fracciones de segundo tan minúsculas que anteriormente eran inalcanzables. Esta capacidad permitirá una exploración más profunda de las interacciones electrónicas, que son fundamentales para entender procesos tan diversos como la fotosíntesis, la superconductividad y la transferencia de carga en materiales avanzados.
La microscopía electrónica ha sido durante décadas una herramienta vital en la investigación científica. Sin embargo, hasta ahora, siempre ha estado limitada por su capacidad de observación temporal. Los microscopios tradicionales, aunque potentes, no podían registrar el movimiento de electrones en tiempo real, lo que dejaba un vacío en la comprensión de los procesos dinámicos a nivel atómico.
El microscopio desarrollado por el equipo de la Universidad de Arizona se basa en un concepto innovador, una tecnología que combina un acelerador de electrones ultra rápido con un sistema de detección de última generación, que juntos permiten capturar imágenes con una precisión temporal sin precedentes. Los investigadores han bautizado la técnica como "attomicroscopía" (“attomicroscopy”, en inglés)
«Con este microscopio, esperamos que la comunidad científica pueda entender la física cuántica detrás de cómo se comporta un electrón y cómo se mueve un electrón».
Una de las claves de este avance es la capacidad del microscopio para generar pulsos de electrones increíblemente breves, que pueden usarse para "iluminar" los electrones en movimiento. Estos pulsos de attosegundos actúan como un "flash" ultrarrápido que congela el movimiento de los electrones, dando la oportunidad a los científicos de observar directamente su dinámica. En general, cuanto más rápido sea el pulso mejor será la imagen.
Además, el equipo ha logrado minimizar la interferencia causada por los propios electrones durante el proceso de observación, lo que ha sido un obstáculo significativo en desarrollos anteriores. Esta reducción de interferencias ha sido crucial para obtener imágenes claras y precisas, permitiendo una mejor interpretación de los fenómenos observados.
El equipo liderado por el profesor Hassan se apoyó en los avances que llevaron a Pierre Agostini, Ferenc Krausz y Anne L'Huillier a ser galardonados con el Premio Nobel de Física en 2023. Estos científicos lograron generar el primer pulso de radiación ultravioleta extrema con una duración tan corta que podía ser medido en attosegundos, un hito que fue fundamental para el desarrollo de las técnicas utilizadas en su investigación.
Aplicaciones futuras
Las aplicaciones de esta tecnología son vastas y podrían transformar varios campos de la ciencia y la ingeniería. Por ejemplo, en la química, la capacidad de observar la transferencia de electrones en tiempo real podría abrir nuevas vías para el desarrollo de catalizadores más eficientes, lo que tendría un impacto significativo en la industria energética.
«Este microscopio electrónico de transmisión es como una cámara muy potente en la última versión de los teléfonos inteligentes; nos permite tomar fotos de cosas que no pudimos ver antes, como los electrones»
En la biología, este microscopio podría usarse para estudiar las reacciones bioquímicas fundamentales a un nivel sin precedentes, lo que proporcionaría nuevas perspectivas sobre cómo funcionan los sistemas biológicos a nivel molecular. Incluso en el campo de la física, el estudio de materiales avanzados, como los superconductores y los semiconductores, podría beneficiarse enormemente de esta tecnología, lo que podría llevar al desarrollo de dispositivos electrónicos más eficientes y rápidos. La propia física cuántica podría sufrir una nueva revolución.
En el Abstract del paper los propios científicos adelantan en este sentido lo siguiente:
"Esta herramienta de imagen en attosegundos proporcionaría una comprensión más profunda del movimiento de los electrones y lo conectaría directamente con la dinámica estructural de la materia en dominios de tiempo real y de espacio, abriendo la puerta a aplicaciones científicas en attosegundos en la física cuántica, la química y la biología que han sido largamente anticipadas."
Referencias
- Hassan, M. Th., Hui, D., Alqattan, H., Sennary, M., & Golubev, N. V. (2024). World's fastest microscope can see electrons moving. Science Advances. https://doi.org/10.1126/sciadv.adp5805
- Nota de prensa de la Universidad de Arizona.
