Los microscopios de luz visible permiten a los científicos ver objetos diminutos como células vivas. Todavía, no pueden discernir cómo se distribuyen los electrones entre los átomos en los sólidos. Ahora, investigadores con el profesor Eleftherios Goulielmakis de Extreme Photonics Labs en la Universidad de Rostock y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, junto con compañeros de trabajo del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China en Beijing, han desarrollado un nuevo tipo de microscopio óptico, llamado el picoscopio, que supera esta limitación.

Los investigadores utilizaron potentes destellos láser para irradiar películas delgadas de materiales cristalinos. Estos pulsos de láser llevaron a los electrones de cristal a un movimiento de meneo rápido. Cuando los electrones rebotaron en los electrones circundantes, emitían radiación en la parte ultravioleta extrema del espectro. Analizando las propiedades de esta radiación, los investigadores compusieron imágenes que ilustran cómo se distribuye la nube de electrones entre los átomos en la red cristalina de sólidos con una resolución de unas pocas decenas de picómetros, que son mil millonésimas de milímetro. Los experimentos allanan el camino para una nueva clase de microscopios basados ​​en láser que podrían permitir a los físicos, farmacia, y científicos de materiales para observar los detalles del microcosmos con una resolución sin precedentes y para comprender y eventualmente controlar las propiedades químicas y electrónicas de los materiales.

Por décadas, Los científicos han utilizado destellos de luz láser para comprender el funcionamiento interno del microcosmos. Estos destellos láser ahora pueden rastrear procesos microscópicos ultrarrápidos dentro de los sólidos. Todavía, no pueden resolver electrones espacialmente, es decir., ver cómo los electrones ocupan el espacio diminuto entre los átomos en los cristales, o cómo forman los enlaces químicos que mantienen unidos a los átomos. Ernst Abbe descubrió la razón hace más de un siglo. La luz visible solo puede discernir objetos conmensurables en tamaño a su longitud de onda, que es aproximadamente unos pocos cientos de nanómetros. Pero para ver electrones, los microscopios tienen que aumentar su poder de aumento unos miles de veces.

Para superar esta limitación, Goulielmakis y sus compañeros de trabajo tomaron un camino diferente. Desarrollaron un microscopio que funciona con potentes pulsos de láser. Llamaron a su dispositivo un picoscopio de luz. "Un poderoso pulso de láser puede forzar a los electrones dentro de materiales cristalinos a convertirse en fotógrafos del espacio que los rodea, "dijo Harshit Lakhotia, un investigador del grupo.

Cuando el pulso láser penetra dentro del cristal, puede agarrar un electrón y hacer que se mueva rápidamente. "A medida que el electrón se mueve, siente el espacio a su alrededor, al igual que su automóvil siente la superficie irregular de una carretera llena de baches, "dijo Lakhotia. Cuando los electrones impulsados ​​por láser cruzan una protuberancia formada por otros electrones o átomos, desacelera y emite radiación a una frecuencia mucho más alta que la de los láseres. "Al registrar y analizar las propiedades de esta radiación, podemos deducir la forma de estos diminutos bultos, y podemos hacer dibujos que muestren dónde la densidad de electrones en el cristal es alta o baja, "dijo Hee-Yong Kim, investigador de doctorado en Extreme Photonics Labs. "La picoscopia láser combina la capacidad de observar la mayor parte de los materiales, como rayos X, y el de sondear electrones de valencia. Esto último es posible mediante el escaneo de microscopios de túnel, pero solo en superficies ".

Sheng Meng, del Instituto de Física, Beijing, y un físico teórico del estado sólido en el equipo de investigación, dijo, "Con un microscopio capaz de sondear, la densidad de electrones de valencia pronto podremos comparar el rendimiento de las herramientas de física computacional de estado sólido. Podemos optimizar lo moderno, Modelos de última generación para predecir las propiedades de los materiales con cada vez más detalle. Este es un aspecto interesante que aporta la picoscopia láser ".

Ahora, los investigadores están trabajando para desarrollar aún más la técnica. Planean sondear electrones en tres dimensiones y comparar aún más el método con una amplia gama de materiales, incluidos materiales 2-D y topológicos. "Debido a que la picoscopia láser se puede combinar fácilmente con técnicas láser de resolución temporal, pronto será posible grabar películas reales de electrones en materiales. Este es un objetivo buscado durante mucho tiempo en las ciencias ultrarrápidas y las microscopias de la materia, "Dijo Goulielmakis.