Los físicos del Laboratorio de Física de Attosegundos (dirigido conjuntamente por LMU Munich y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica) han desarrollado un microscopio electrónico de attosegundos que les 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 de attosegundos (es decir, mil millonésimas de mil millonésimas de segundo). Lo que sucede exactamente en un tiempo tan asombrosamente corto hasta ahora ha permanecido en gran parte inaccesible. Ahora, un equipo de investigación dirigido por el Dr. Peter Baum y el Dr. Yuya Morimoto en el Laboratorio de Física de Attosegundos (LAP), una empresa de colaboración entre LMU Munich y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ), ha desarrollado un nuevo modo de microscopía electrónica, lo que permite observar esta interacción fundamental en tiempo real y espacio real.

Para visualizar fenómenos que ocurren en la escala de attosegundos, como la interacción entre la luz y los átomos, se necesita un método que siga el ritmo de los procesos ultrarrápidos con una resolución espacial a 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 denominados paquetes de ondas. Los investigadores dirigen un haz de electrones sobre un delgado hoja dieléctrica, donde la onda de electrones se modula por irradiación con un láser orientado ortogonalmente. La interacción con el campo óptico oscilante acelera y desacelera alternativamente los electrones, lo que conduce a la formación de un tren de pulsos de attosegundos. Estos paquetes de ondas constan de aproximadamente 100 pulsos individuales, cada uno de los cuales tiene una duración de aproximadamente 800 attosegundos.

Para fines de 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, pueden emplearse 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 la luz sobre la materia.

En sus dos primeras pruebas experimentales del nuevo método, los investigadores de Munich convirtieron sus trenes de pulsos de attosegundos en un cristal de silicio, y pudimos observar cómo se propagan los ciclos de luz y cómo se refractan los paquetes de ondas de electrones, difractados y dispersos 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 principal de cualquier interacción luz-materia. En otras palabras, el procedimiento alcanza una resolución subatómica y subciclo de luz, 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 sucede 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 divergen significativamente de las de los materiales convencionales. Esto a su vez da lugar a fenómenos ópticos únicos, que abren perspectivas novedosas en óptica y optoelectrónica. En efecto, Los metamateriales bien pueden servir como componentes básicos en las futuras computadoras impulsadas por la luz.