Diseñar y mejorar los materiales de almacenamiento de energía, dispositivos inteligentes, y muchas más tecnologías, los investigadores deben comprender su estructura y química ocultas. Técnicas de investigación avanzadas, como las imágenes por difracción de electrones ultrarrápida pueden revelar esa información. Ahora, un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha desarrollado una versión nueva y mejorada de difracción de electrones en el Accelerator Test Facility (ATF) de Brookhaven, un Centro de Usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que ofrece instrumentación experimental avanzada y única para estudiando la aceleración de partículas a investigadores de todo el mundo. Los investigadores publicaron sus hallazgos en Informes científicos , una revista de acceso abierto de Nature Research.

El avance de una técnica de investigación como la difracción de electrones ultrarrápida ayudará a las futuras generaciones de científicos de materiales a investigar materiales y reacciones químicas con nueva precisión. Muchos cambios interesantes en los materiales ocurren extremadamente rápido y en espacios pequeños, por lo que se necesitan técnicas de investigación mejoradas para estudiarlas y aplicarlas en el futuro. Esta nueva y mejorada versión de la difracción de electrones ofrece un trampolín para mejorar diversas técnicas de investigación relacionadas con el haz de electrones y la instrumentación existente.

"Implementamos nuestro nuevo sistema de enfoque para haces de electrones y demostramos que podemos mejorar la resolución significativamente en comparación con la técnica de solenoide convencional, "dijo Xi Yang, autor del estudio y físico de aceleradores en el National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab. "La resolución depende principalmente de las propiedades de la luz, o en nuestro caso, del haz de electrones. Esto es universal para todas las técnicas de imagen, incluyendo microscopía óptica e imágenes de rayos X. Sin embargo, es mucho más desafiante enfocar los electrones cargados a un haz parecido a un lápiz casi paralelo en la muestra de lo que sería con la luz, porque los electrones están cargados negativamente y, por lo tanto, se repelen entre sí. A esto se le llama efecto de carga espacial. Al usar nuestra nueva configuración, pudimos superar el efecto de carga espacial y obtener datos de difracción que son tres veces más brillantes y dos veces más nítidos; es un gran salto en la resolución ".

Cada configuración de difracción de electrones utiliza un haz de electrones que se enfoca en la muestra para que los electrones reboten en los átomos de la muestra y viajen más al detector detrás de la muestra. Los electrones crean un llamado patrón de difracción, que puede traducirse en la composición estructural de los materiales a nanoescala. La ventaja de usar electrones para obtener imágenes de esta estructura interna de materiales es que el llamado límite de difracción de electrones es muy bajo, lo que significa que los científicos pueden resolver detalles más pequeños en la estructura en comparación con otros métodos de difracción.

Se necesitaba un equipo diverso de investigadores para mejorar un método de investigación tan complejo. El equipo de Brookhaven Lab estaba formado por expertos en haces de electrones del NSLS-II, expertos en aceleradores de electrones de ATF, y expertos en ciencia de materiales del departamento de física de materia condensada y ciencia de materiales (CMPMS).

"Este avance no hubiera sido posible sin la combinación de toda nuestra experiencia en Brookhaven Lab. En NSLS-II, tenemos experiencia en cómo manejar el haz de electrones. El grupo ATF aportó la experiencia y las capacidades del cañón de electrones y las tecnologías láser, las cuales eran necesarias para crear el haz de electrones en primer lugar. Y el grupo CMPMS tiene la experiencia de muestra y, por supuesto, impulsa las necesidades de la aplicación. Esta es una sinergia única y, juntos, pudimos mostrar cómo la resolución de la técnica se puede mejorar drásticamente, "dijo Li Hua Yu, Físico acelerador senior de NSLS-II y coautor del estudio.

Para lograr su resolución mejorada, el equipo desarrolló un método diferente para enfocar el haz de electrones. En lugar de utilizar un enfoque convencional que involucra imanes de solenoide, los investigadores utilizaron dos grupos de cuatro imanes cuadrupolos para sintonizar el haz de electrones. En comparación con los imanes de solenoide, que actúan como una sola lente para dar forma al haz, los imanes cuadrupolos funcionan como un sistema de lentes especializado para los electrones, y dieron a los científicos mucha más flexibilidad para sintonizar y dar forma al haz de acuerdo con las necesidades de su experimento.

"Nuestro sistema de lentes puede proporcionar una amplia gama de sintonización del haz. Podemos optimizar los parámetros más importantes, como el tamaño del haz, o densidad de carga, y divergencia del haz según las condiciones experimentales, y por lo tanto proporcionar la mejor calidad de haz para las necesidades científicas, "dijo Yang.

El equipo puede incluso ajustar los parámetros sobre la marcha con herramientas de optimización en línea y corregir cualquier falta de uniformidad de la forma de la viga; sin embargo, para hacer posible esta medida, el equipo necesitaba el excelente haz de electrones que proporciona ATF. ATF tiene un cañón de electrones que genera un haz de electrones extremadamente brillante y ultracorto, que ofrece las mejores condiciones para la difracción de electrones.

"El equipo utilizó una pistola de fotocátodos que genera los electrones a través de un proceso llamado fotoemisión, "dijo Mikhail Fedurin, físico de aceleradores en ATF. "Disparamos un pulso láser ultracorto en un cátodo de cobre, y cuando el pulso golpea el cátodo, se forma una nube de electrones sobre el cobre. Retiramos los electrones usando un campo eléctrico y luego los aceleramos. La cantidad de electrones en uno de estos pulsos y nuestra capacidad para acelerarlos a energías específicas hacen que nuestro sistema sea atractivo para la investigación de la ciencia de los materiales, particularmente para la difracción ultrarrápida de electrones ".

El sistema de enfoque junto con el haz de electrones ATF es muy sensible, para que los investigadores puedan medir las influencias del campo magnético de la Tierra en el haz de electrones.

"En general, los electrones siempre están influenciados por campos magnéticos; así es como los dirigimos en los aceleradores de partículas en primer lugar; sin embargo, el efecto del campo magnético de la Tierra no es despreciable para el rayo de baja energía que usamos en este experimento, "dijo Victor Smalyuk, Líder del grupo de física del acelerador NSLS-II y coautor del estudio. "El rayo se desvió de la trayectoria deseada, que creó dificultades durante la fase de inicio inicial, así que tuvimos que corregir este efecto ".

Más allá del alto brillo del haz de electrones y la alta precisión del sistema de enfoque, el equipo también necesitaba la muestra adecuada para realizar estas mediciones. El grupo CMPMS proporcionó al equipo una película de oro policristalino para explorar completamente el sistema de lentes de nuevo diseño y ponerlo a prueba.

"Hicimos la muestra depositando los átomos de oro en una película de carbono de varios nanómetros de espesor utilizando una técnica llamada evaporación térmica, "dijo Junjie Li, un físico en el departamento de CMPMS. "Evaporamos las partículas de oro para que se condensaran en la película de carbono y formaran pequeñas, nanopartículas aisladas que se fusionan lentamente y forman la película policristalina ".

Esta película fue esencial para las mediciones porque tiene cristales orientados al azar que se fusionan. Por lo tanto, la estructura interna de la muestra no es uniforme, pero consta de muchas áreas orientadas de manera diferente, lo que significa que el patrón de difracción depende principalmente de las cualidades del haz de electrones. Esto les da a los científicos el mejor terreno para probar realmente su sistema de lentes, para sintonizar el haz, y ver el impacto de su sintonización directamente en la calidad de la medición de difracción.

"Inicialmente nos propusimos mejorar la difracción de electrones para estudios científicos de materiales, pero también descubrimos que esta técnica puede ayudarnos a caracterizar nuestro haz de electrones. De hecho, la difracción es muy sensible a los parámetros del haz de electrones, para que podamos usar el patrón de difracción de una muestra conocida para medir nuestros parámetros de haz de manera precisa y directa, que no suele ser tan fácil, "dijo Yang.

El equipo tiene la intención de seguir mejorando, y ya tienen planes para desarrollar otra configuración de microscopía electrónica ultrarrápida para visualizar directamente una muestra biológica.

"Esperamos lograr imágenes ultrarrápidas de haz de electrones de un solo disparo en algún momento y tal vez incluso hacer películas moleculares, lo cual no es posible con nuestra configuración actual de imágenes por haz de electrones, "dijo Yang.