Acoplamiento de luz-electrón coherente cuántico en un SEM ultrarrápido. Los electrones fotoemitidos por pulsos de láser ultravioleta (púrpura) se propagan a través de la columna de un SEM comercial. El haz de electrones (verde) se enfoca cerca de la punta de una aguja de tungsteno (recuadro), donde interactúa con el campo cercano óptico excitado por pulsos láser de 1030 nm, acoplado al SEM a través de una ventana CF-100 en la cámara de muestras del SEM . La lente de enfoque asférica (no mostrada) está a 25 mm de la punta, dentro de la cámara. Los espectros de electrones se registran con un espectrómetro de electrones de sector magnético de doble etapa compacto construido en casa basado en el filtro Omega, colocado dentro del SEM. El plano de dispersión del espectrómetro se refleja en un detector de placa de microcanal, cuya pantalla de fósforo se registra ópticamente desde el exterior de la cámara de vacío con una cámara CMOS. Una imagen de ejemplo (recuadro inferior derecho), donde el recuento de electrones individuales (puntos negros) y el orden de los fotones (líneas de puntos verticales) pueden verse fácilmente a simple vista. El espectro PINEM se obtiene integrando la imagen de la cámara verticalmente [38]. El espectro experimental promediado de forma incoherente (negro), con los datos brutos agrupados (azul), muestra 24 órdenes PINEM, 12 en cada lado, el máximo que observamos. Crédito:Cartas de revisión física (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.128.235301
Los físicos de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) han diseñado un marco que permite a los científicos observar las interacciones entre la luz y los electrones utilizando un microscopio electrónico de barrido tradicional. El procedimiento es considerablemente más barato que la tecnología que se ha utilizado hasta la fecha y también permite una gama más amplia de experimentos. Los investigadores han publicado sus hallazgos en la revista Physical Review Letters .
La computadora cuántica es solo un ejemplo de cuán importante es la comprensión de los procesos fundamentales que subyacen a las interacciones entre fotones y electrones. Combinado con pulsos láser ultracortos, es posible medir cómo los fotones cambian la energía y la velocidad de los electrones. Esta microscopía electrónica inducida por fotones (PINEM) se ha basado hasta ahora completamente en microscopios electrónicos de transmisión (TEM). Aunque estos tienen la resolución para identificar átomos individuales, son considerablemente más caros que los microscopios electrónicos de barrido (SEM), y su cámara de muestra es extremadamente pequeña, de solo unos pocos milímetros cúbicos.
Medición de diferencias hasta unas pocas centenas de milésimas de un todo
Los investigadores de la Cátedra de Física Láser del Prof. Dr. Peter Hommelhoff ahora han logrado modificar un SEM tradicional para realizar experimentos PINEM. Diseñaron un espectrómetro especial basado en fuerzas magnéticas que se integra directamente en el microscopio. El principio subyacente es que el campo magnético desvía electrones en mayor o menor medida dependiendo de su velocidad. Usando un detector que transforma las colisiones de electrones en luz, se da una lectura precisa de esta desviación. El método permite a los investigadores medir incluso los cambios más pequeños en la energía, hasta diferencias de solo varias centenas de milésimas del valor original, suficiente para diferenciar la contribución de un único cuanto de energía luminosa, un fotón.
Un espectro más amplio de experimentos posibles en el futuro
El descubrimiento de los físicos de Erlangen es pionero en más de un sentido. Desde un punto de vista económico, poder investigar las interacciones fotón-electrón sin utilizar TEM, que cuesta varios millones de euros, podría hacer que la investigación sea más accesible. Además, dado que la cámara de un SEM generalmente tiene un volumen de hasta 20 centímetros cúbicos, ahora es posible una gama mucho más amplia de experimentos, ya que los componentes ópticos y electrónicos adicionales, como lentes, prismas y espejos, se pueden colocar directamente al lado de las muestras. . Los investigadores esperan que dentro de unos años, todo el campo de los experimentos cuánticos microscópicos cambie de TEM a SEM. La fotónica integrada se encuentra con la microscopía electrónica
