Se ha demostrado por primera vez la absorción de energía de la luz láser por electrones libres en un líquido. Hasta ahora, este proceso se observó solo en la fase gaseosa. Los resultados, dirigido por la Universidad de Tecnología de Graz, abre nuevas puertas para la microscopía electrónica ultrarrápida.

La investigación y el desarrollo de materiales depende fundamentalmente de la capacidad de observar los objetos más pequeños en escalas de tiempo más rápidas. La resolución espacial necesaria para las investigaciones en el rango (sub) atómico se puede lograr con microscopía electrónica. Para los procesos más rápidos, sin embargo, procediendo en unos pocos femtosegundos (cuadrillonésimas de segundo), la resolución temporal de los microscopios electrónicos convencionales es insuficiente. Para mejorar la duración de los pulsos de electrones, los electrones tendrían que seleccionarse dentro de una ventana de tiempo más corta, en analogía con el obturador de una cámara, que controla el tiempo de exposición en fotografía.

En principio, esta selección temporal es posible con pulsos de láser extremadamente cortos a través de un proceso llamado dispersión de electrones asistida por láser (LAES). En este proceso, los electrones pueden absorber energía del campo de luz durante las colisiones con los átomos de la muestra bajo investigación. "La información estructural la proporcionan todos los electrones, pero aquellos que tienen un nivel de energía más alto pueden asignarse a la ventana de tiempo en la que estuvo presente el pulso de luz. Con este método, es posible seleccionar una ventana de tiempo corta del pulso de electrones largo y así mejorar la resolución de tiempo, "explica Markus Koch, profesor del Instituto de Física Experimental de la Universidad Tecnológica de Graz. Hasta aquí, sin embargo, Los procesos LAES solo se han observado en fase gaseosa, a pesar de su investigación durante unos 50 años.

Koch y su equipo, en colaboración con investigadores del Instituto de Fotónica de la Universidad Tecnológica de Viena y el Instituto de Química de la Universidad Metropolitana de Tokio, ahora han demostrado por primera vez que la dispersión de electrones asistida por láser también se puede observar en la materia condensada, específicamente en helio superfluido.

Helio superfluido que conduce al éxito

Los investigadores de TU Graz realizaron el experimento en una gota de helio superfluido de pocos nanómetros de diámetro (3-30 nm), en el que cargaron átomos individuales (indio o xenón) o moléculas (acetona) que sirvieron como fuente de electrones, un campo de especialización en el instituto. "Los electrones libres pueden moverse casi sin fricción dentro de la gota y absorber más energía en el campo de luz de la que pierden en colisiones con los átomos de helio, "dice Leonhard Treiber, el Ph.D. estudiante a cargo del experimento. La aceleración resultante permite la observación de electrones mucho más rápidos.

Los experimentos podrían interpretarse en cooperación con Markus Kitzler-Zeiler, un experto en procesos de campo fuerte en TU Wien, y el proceso LAES fue confirmado mediante simulaciones por Reika Kanya de la Universidad Metropolitana de Tokio. Los resultados fueron publicados en Comunicaciones de la naturaleza .

En el futuro, El proceso LAES se estudiará dentro de películas delgadas de varios materiales, también se produce en el interior de las gotas de helio, para determinar parámetros importantes como el espesor de película óptimo o la intensidad favorable de los pulsos láser para su aplicación en un microscopio electrónico.