Físicos de la Universidad de Konstanz, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU Munich) y la Universidad de Regensburg han demostrado con éxito que los pulsos de electrones ultracortos experimentan un cambio de fase de la mecánica cuántica a través de su interacción con ondas de luz en materiales nanofotónicos. que puede descubrir la funcionalidad de los nanomateriales. Los experimentos y resultados correspondientes se informan en el último número de Avances científicos.

Materiales y metamateriales nanofotónicos

Muchos materiales que se encuentran en la naturaleza pueden influir en las ondas electromagnéticas, como la luz, de diferentes formas. Sin embargo, generar efectos ópticos novedosos con el fin de desarrollar células solares particularmente eficientes, dispositivos de encubrimiento o catalizadores a menudo requieren estructuras artificiales, los llamados metamateriales. Estos materiales logran sus extraordinarias propiedades a través de una estructuración sofisticada a nanoescala, es decir, a través de una disposición en forma de cuadrícula de los bloques de construcción más pequeños en escalas de longitud muy por debajo de la longitud de onda de la excitación.

La caracterización y desarrollo de tales metamateriales requiere una comprensión profunda de cómo se comportan las ondas de luz incidentes cuando golpean estas pequeñas estructuras y cómo interactúan con ellas. Como consecuencia, las nanoestructuras ópticamente excitadas y sus campos electromagnéticos cercanos deben medirse a resoluciones espaciales en el rango de nanómetros (~ 10 ^-9 m) y, al mismo tiempo, en resoluciones temporales por debajo de la duración del ciclo de excitación (~ 10 ^-15 s). Sin embargo, esto no se puede lograr solo con la microscopía óptica convencional.

Difracción de electrones ultrarrápida de nanoestructuras excitadas ópticamente

En contraste con la luz, los electrones tienen una masa en reposo y, por lo tanto, ofrecen 100, 000 veces mejor resolución espacial que los fotones. Además, los electrones se pueden utilizar para sondear campos electromagnéticos y potenciales debido a sus cargas. Un equipo dirigido por el profesor Peter Baum (Universidad de Konstanz) ha logrado aplicar pulsos de electrones extremadamente cortos para lograr tal medición. Con ese fin, la duración de los pulsos de electrones se comprimió en el tiempo mediante radiación de terahercios hasta tal punto que los investigadores pudieron resolver en detalle las oscilaciones ópticas de los campos electromagnéticos cercanos en las nanoestructuras.

Altas resoluciones espaciales y temporales

"El desafío que implica este experimento consiste en asegurarse de que la resolución sea lo suficientemente alta tanto en el espacio como en el tiempo. Para evitar los efectos de la carga espacial, solo usamos electrones individuales por pulso y aceleramos estos electrones a energías de 75 kiloelectrones voltios, "explica el profesor Peter Baum, último autor del estudio y jefe del grupo de trabajo sobre luz y materia del Departamento de Física de la Universidad de Konstanz. Al ser esparcido por las nanoestructuras, Estos pulsos de electrones extremadamente cortos interfieren con ellos mismos debido a sus propiedades mecánicas cuánticas y generan una imagen de difracción de la muestra.

Interacción con los campos y potenciales electromagnéticos

La investigación de las nanoestructuras de excitación óptica se basa en el principio conocido de los experimentos de bomba-sonda. Después de la excitación óptica de los campos cercanos, el pulso de electrones ultracorto llega a un punto definido en el tiempo y mide los campos congelados en el tiempo en el espacio y el tiempo. "Según las predicciones de Aharonov y Bohm, los electrones experimentan un cambio de fase mecánico cuántico de su función de onda cuando viajan a través de potenciales electromagnéticos, "explica Kathrin Mohler, investigador de doctorado en LMU Munich y primer autor del estudio. Estos cambios de fase inducidos ópticamente proporcionan información sobre la dinámica ultrarrápida de la luz en las nanoestructuras, en última instancia, entrega una secuencia de imágenes similar a una película que revela la interacción de la luz con las nanoestructuras.

Un nuevo régimen de aplicación para la holografía y difracción de electrones

Estos experimentos ilustran cómo la holografía y la difracción de electrones se pueden aprovechar en el futuro para mejorar nuestra comprensión de las interacciones fundamentales entre la luz y la materia que subyacen a los materiales y metamateriales nanofotónicos. A largo plazo, esto incluso puede conducir al desarrollo y optimización de ópticas compactas, nuevas células solares o catalizadores eficientes.