Un microscopio electrónico no puede simplemente tomar una foto como lo hace la cámara de un teléfono móvil. La capacidad de un microscopio electrónico para obtener imágenes de una estructura, y el éxito de esta imagen, depende de qué tan bien comprenda la estructura. A menudo se necesitan cálculos físicos complejos para aprovechar al máximo el potencial de la microscopía electrónica. Un equipo de investigación internacional dirigido por el profesor Peter Schattschneider de TU Wien se propuso analizar las oportunidades que ofrece EFTEM, que es microscopía electrónica de transmisión con filtrado de energía. El equipo demostró numéricamente que bajo ciertas condiciones, es posible obtener imágenes claras del orbital de cada electrón individual dentro de un átomo. Por lo tanto, la microscopía electrónica se puede utilizar para penetrar hasta el nivel subatómico; ya se han planificado experimentos en esta área. El estudio se ha publicado ahora en la revista de física. Cartas de revisión física .

En busca del orbital de electrones

A menudo pensamos en los electrones atómicos como pequeñas esferas que giran alrededor del núcleo del átomo como pequeños planetas alrededor de un sol. Esta imagen apenas se refleja en la realidad, sin embargo. Las leyes de la física cuántica establecen que la posición de un electrón no puede definirse claramente en un momento dado. El electrón se esparce efectivamente a través de un área cercana al núcleo. El área que podría contener el electrón se llama orbital. Aunque ha sido posible calcular la forma de estos orbitales durante mucho tiempo, los esfuerzos para obtener imágenes de ellos con microscopios electrónicos no han tenido éxito hasta la fecha.

"Hemos calculado cómo podríamos tener la posibilidad de visualizar orbitales con un microscopio electrónico", dice Stefan Löffler del Centro de Servicio Universitario para Microscopía Electrónica de Transmisión (USTEM) en TU Wien. "Grafeno, que está hecho de una sola capa de átomos de carbono, es un excelente candidato para esta tarea. El rayo de electrones puede atravesar fácilmente el grafeno sin apenas dispersión elástica. Se puede crear una imagen de la estructura del grafeno con estos electrones ".

Los investigadores conocen desde hace algún tiempo el principio de la "microscopía electrónica de transmisión con filtración de energía" (EFTEM). EFTEM se puede utilizar para crear visualizaciones bastante específicas de ciertos tipos de átomos mientras se bloquean los demás. Por esta razón, Hoy en día se utiliza a menudo para analizar la composición química de muestras microscópicas. "Los electrones disparados a través de la muestra pueden excitar los átomos de la muestra", explica Stefan Löffler. "Esto cuesta energía, así que cuando los electrones emergen de la muestra, son más lentos que cuando entraron. Este cambio de velocidad y energía es característico de ciertas excitaciones de los orbitales de electrones dentro de la muestra ".

Después de que los electrones hayan pasado a través de la muestra, un campo magnético clasifica los electrones por energía. "Se usa un filtro para bloquear los electrones que no son de interés:la imagen grabada contiene solo aquellos electrones que transportan la información deseada".

Los defectos pueden ser útiles

El equipo utilizó simulaciones para investigar cómo esta técnica podría ayudar a alcanzar un punto de inflexión en el estudio de los orbitales de electrones. Mientras lo hace, descubrieron algo que realmente facilitó la obtención de imágenes de orbitales individuales:"La simetría del grafeno debe romperse", dice Stefan. "Si, por ejemplo, hay un agujero en la estructura del grafeno, los átomos justo al lado de este agujero tienen una estructura electrónica ligeramente diferente, lo que permite obtener imágenes de los orbitales de estos átomos. Lo mismo puede suceder si un átomo de nitrógeno en lugar de un átomo de carbono se encuentra en algún lugar del grafeno. Al hacer esto, es importante centrarse en los electrones que se encuentran dentro de una ventana de energía estrecha y precisa, minimizar ciertas aberraciones de la lente electromagnética y, por último, si bien no menos importante, utilizar un microscopio electrónico de primer nivel ". Todos estos problemas pueden superarse, sin embargo, como muestran los cálculos del grupo de investigación.

La Humboldt-Universität zu Berlin, la Universität Ulm, y la Universidad McMaster en Canadá también trabajaron junto con TU Wien en el estudio en un proyecto conjunto FWF-DFG ("Hacia el mapeo orbital", I543-N20) y un proyecto FWF Erwin-Schrödinger ("EELS en interfaces", J3732-N27). Ulm está desarrollando actualmente un nuevo microscopio electrónico de transmisión de alto rendimiento que se utilizará para poner en práctica estas ideas en un futuro próximo. Los resultados iniciales ya han superado las expectativas.