Las capas apiladas de grafeno pueden actuar como un espejo para haces de electrones. Los físicos Daniël Geelen y sus colegas descubrieron esto usando un nuevo tipo de microscopio electrónico. En un artículo de Physical Review Letters, describen sus resultados, lo que podría conducir al desarrollo de ópticas para haces de electrones en lugar de luz.

Geelen y sus compañeros de trabajo llamaron a la nueva técnica "eV-TEM". Es una nueva variación del microscopio electrónico, que apunta haces de electrones a una muestra para obtener una imagen.

Electrones de baja energía

Según la mecánica cuántica, los electrones son ondas, al igual que la luz visible, pero la longitud de onda es mucho más corta. Debido a esto, se pueden obtener imágenes de detalles mucho más pequeños en comparación con un microscopio óptico. Sin embargo, la avalancha de electrones generalmente daña la muestra a largo plazo.

Ésta es una de las razones por las que Daniël Geelen, Johannes Jobst, Sentido Jan van der Molen y Rudolf Tromp usan electrones lentos, que llevan bajas energías de varios electronvoltios (eV, de ahí 'eV-TEM') en lugar de las habituales decenas o cientos de miles de electronvoltios.

Electrones en grafeno

Desde 2010, el grupo ejecuta un LEEM (microscopio electrónico de baja energía) desarrollado por Tromp en IBM, que imagina los electrones reflejados. Geelen mejoró el aparato con la posibilidad de obtener imágenes de los electrones que atraviesan la muestra, la transmisión." Esto convierte el aparato en un microscopio electrónico de transmisión (eV-TEM).

El primer material investigado es el grafeno, la variedad de carbono en un piso, patrón molecular hexagonal bidimensional que se asemeja al alambre de gallinero. Los investigadores dispararon electrones lentos a un solo, capas dobles y triples de grafeno, e imaginé la transmisión.

"Se ha investigado mucho sobre cómo se comportan los electrones dentro de las capas de grafeno, pero mucho menos en cómo se mueven a través de las capas, "dice el sentido Jan van der Molen.

Probando la teoría

Un modelo teórico de los años setenta predice que los electrones lentos pueden atravesar capas delgadas con facilidad, ya que apenas interactuarán con los electrones dentro de esas capas. Luego, cuando se eleva la energía y la velocidad de los electrones, se espera que aumente el número de interacciones, lo que daría lugar a que cada vez menos electrones pasen a través de la muestra. Se supone que esta 'curva universal' se mantiene, independientemente del material exacto de la muestra.

Los físicos de Leiden, sin embargo, noté algo muy diferente. A energías específicas de electrones, miden fuertes disminuciones en la transmisión, que corresponden a picos en la reflexión. "Para electrones con ciertas energías, el grafeno actúa como un espejo, "dice Van der Molen.

Grafeno reflectante

En el artículo, los investigadores dan una explicación:los electrones son ondas. En ciertas longitudes de onda, las ondas reflejadas en capas de grafeno separadas se reforzarán entre sí. Esta "interferencia constructiva" hace que la pila de capas de grafeno actúe como un espejo para los electrones.

Un efecto similar es visible en el tono verdoso o violáceo de un revestimiento antirreflectante en gafas o binoculares. También constan de capas, que causan interferencia constructiva para la luz verde o violeta.

La duplicación dependiente de la longitud de onda demuestra que las muestras delgadas no actúan de manera tan predecible e independiente del material exacto como se esperaba. dice Johannes Jobst. "Estos resultados dependen en gran medida de la estructura electrónica del material, y sobre la energía de los electrones ".

Adicionalmente, la investigación sugiere la posibilidad de utilizar grafeno en capas como espejos para haces de electrones. "Puede ser posible utilizarlos como divisores de haz, "dice Tromp.

Capas delgadas menos predictivas

Tales divisores de haz, que divide un solo haz entrante en dos haces separados, son dispositivos estándar muy utilizados en óptica de luz, pero todavía no existen para los haces de electrones. Las delgadas capas de grafeno quizás podrían llenar este vacío. Pero primero, a los investigadores les gustaría tomar imágenes de otros materiales. Van der Molen:"Esto permite una investigación fundamentalmente nueva, en materiales en capas, y también en biomoléculas sensibles que se dañarían con un microscopio electrónico normal ".