La rareza cuántica está abriendo nuevas puertas para los microscopios electrónicos, poderosas herramientas utilizadas para la obtención de imágenes de alta resolución.

Dos nuevos avances del laboratorio del físico de la UO Ben McMorran están refinando los microscopios. Ambos provienen de aprovechar un principio fundamental de la mecánica cuántica:que un electrón puede comportarse simultáneamente como una onda y una partícula. Es uno de los muchos ejemplos de peculiaridades extrañas a nivel cuántico en las que las partículas subatómicas a menudo se comportan de maneras que parecen violar las leyes de la física clásica.

Uno de los estudios encuentra una manera de estudiar un objeto bajo el microscopio sin hacer contacto con él, evitando que el alcance dañe muestras frágiles. Y el segundo diseña una forma de realizar dos mediciones en una muestra a la vez, lo que brinda una forma de estudiar cómo las partículas en ese objeto interactúan potencialmente a través de distancias.

McMorran y sus colegas informan sobre sus hallazgos en dos artículos, ambos publicados en la revista Physical Review Letters .

"A menudo es difícil observar algo sin influir en él, especialmente cuando observas los detalles", dijo McMorran. "La física cuántica parece proporcionarnos una forma de ver las cosas más sin interrumpirlas".

Los microscopios electrónicos se utilizan para obtener vistas de primer plano de proteínas y células, así como muestras no biológicas, como nuevos tipos de materiales. En lugar de la luz que se usa en los microscopios más tradicionales, los microscopios electrónicos enfocan un haz de electrones en una muestra. A medida que el haz interactúa con la muestra, algunas de sus características cambian. Un detector mide los cambios en el haz, que luego se traducen en una imagen de alta resolución.

Pero ese poderoso haz de electrones puede dañar las estructuras frágiles de la muestra. Con el tiempo, puede degradar los mismos detalles que los científicos están tratando de estudiar.

Como solución alternativa, el equipo de McMorran utilizó un experimento mental publicado a principios de la década de 1990, que proponía una forma de detectar una bomba sensible sin tocarla y correr el riesgo de que estallara.

El truco se basa en una herramienta llamada rejilla de difracción, una membrana delgada con ranuras microscópicas. Cuando el haz de electrones golpea la rejilla de difracción, se divide en dos.

Con la alineación correcta de estas rejillas de difracción de división de haz, "el electrón entra y se divide en dos caminos, pero luego se recombina de tal manera que solo va a una de las dos salidas posibles", dijo Amy Turner, estudiante de posgrado en McMorran. laboratorio que dirigió el primer estudio. "La idea es que cuando pones una muestra, la interacción del electrón consigo mismo se interrumpe".

En esta configuración, los electrones no golpean la muestra como lo hacen en la microscopía electrónica tradicional. En cambio, la forma en que se recombina el haz de electrones revela información sobre la muestra bajo el microscopio.

En otro estudio, el equipo de McMorran usó una configuración de rejilla de difracción similar para medir una muestra en dos lugares a la vez. Dividieron un haz de electrones para que pasara a ambos lados de una pequeña partícula de oro, midiendo los diminutos bits de energía que los electrones transfirieron a la partícula de cada lado.

Ese enfoque podría revelar matices sensibles a nivel atómico sobre una muestra, al comprender la forma en que las partículas interactúan en una muestra.

"Lo especial de esto es que puedes mirar dos partes separadas y luego combinarlas para ver si es una oscilación colectiva o si no están correlacionadas", dijo Cameron Johnson, investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley que hizo su trabajo doctoral en el laboratorio de McMorran y dirigió el estudio. "Podemos ir más allá de los límites de las resoluciones de energía del microscopio y las interacciones de la sonda que normalmente son inalcanzables".

Si bien los dos estudios realizan diferentes tipos de mediciones, utilizan la misma configuración básica, que se conoce como interferometría. Los miembros del equipo de McMorran creen que su herramienta podría ser útil más allá de su propio laboratorio, para una variedad de diferentes tipos de experimentos.

"Este es el primer interferómetro de electrones de este tipo", dijo Turner. "La gente ha usado rejillas de difracción antes, pero esta es una versión funcional y flexible que se puede ajustar para diferentes experimentos".

Con los materiales y las instrucciones correctos, la configuración podría agregarse a muchos microscopios electrónicos existentes, dijo McMorran. Su equipo ya ha captado el interés de investigadores de otros laboratorios que quieren usar el interferómetro en sus propios microscopios.

"Un microscopio electrónico nos permite observar cosas a escala atómica, pero muchas cosas son difíciles de ver, como los materiales biológicos que son bastante invisibles para los electrones y se dañan fácilmente", agregó McMorran. "Pero aquí demostramos que podemos usar las propiedades de las ondas cuánticas de los electrones para solucionar esos problemas, así como para comprender mejor la naturaleza fundamental de cómo estas ondas de electrones interactúan con campos electromagnéticos como la luz". + Explora más

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