Los electrones en los átomos son bastante talentosos. Pueden formar enlaces químicos, ser expulsados ​​del átomo e incluso "saltar" a diferentes ubicaciones en función de sus estados energéticos.

En 1961, El físico atómico Ugo Fano teorizó que los electrones albergan otro talento inesperado:pueden interferir con ellos mismos al tomar simultáneamente dos caminos diferentes de la mecánica cuántica. En un camino saltan dentro del átomo entre estados de energía discretos. En el otro camino saltan del átomo al continuo del espacio libre. Fano desarrolló su teoría después de estudiar el espectro electrónico del gas helio excitado por un haz de electrones. Según la teoría de Fano, los electrones en los átomos de helio se movían a través de dos tipos de transiciones de energía, uno discreto y el otro continuo, lo que resultó en una interferencia destructiva a través de su mezcla sincronizada.

Aunque han pasado casi 60 años desde que Fano publicó su explicación teórica, ahora conocida como interferencia de Fano, los científicos han luchado por observar este efecto a nanoescala usando un microscopio electrónico. Un equipo dirigido por científicos de la Universidad de Washington y la Universidad de Notre Dame utilizó avances recientes en microscopía electrónica para observar las interferencias de Fano directamente en un par de nanopartículas metálicas. según un artículo publicado el 21 de octubre en Cartas de revisión física y destacado por los editores de la revista.

"Fano describió un tipo complicado, e incluso contradictorio, de transferencia de energía que puede ocurrir en estos sistemas, "dijo el coautor correspondiente David Masiello, profesor de química de la Universidad de Washington. "Es como tener dos hijos en columpios vecinos que están débilmente acoplados entre sí:empujas a un niño, pero ese swing no es el que se mueve. En lugar de, El columpio del otro niño se mueve debido a esta interferencia. Es una transferencia de energía unidireccional ".

Masiello, un teórico, se asoció con el coautor y experimentalista Jon Camden, profesor de química y bioquímica en la Universidad de Notre Dame, trabajar sobre las interferencias de Fano en microscopía electrónica. En una publicación de 2013 en ACS Nano , Los dos, junto con miembros del grupo de Masiello en la UW, teorizó que podrían desencadenar interferencias de Fano en ciertos tipos de nanoesculturas plasmónicas. Estos son sistemas comprobables experimentalmente, que generalmente consisten en plata u oro o metales de acuñación similares, en los que los electrones pueden movilizarse y "excitarse" fácilmente en respuesta a la luz o un haz de electrones.

Masiello y Camden creían que sería posible diseñar y construir un sistema que exhibiera interferencias de Fano utilizando componentes plasmónicos a nanoescala. Pero, crear este efecto requeriría un haz de electrones extremadamente preciso, en el que todos los electrones tienen aproximadamente la misma energía cinética. Los investigadores se unieron a Juan Carlos Idrobo, científico del Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Oak Ridge alberga una instalación avanzada de microscopía electrónica, incluido el microscopio electrónico de transmisión de barrido con corrección de aberraciones monocromáticas que el equipo necesitaría.

"Este es el Lamborghini de los microscopios electrónicos, y representa un avance muy reciente y sofisticado en microscopía electrónica, ", dijo Masiello." Este experimento no habría sido posible incluso hace varios años ".

Pero diseñar y fabricar el sistema plasmónico correcto también fue un desafío para el equipo.

"La pregunta de, "¿Podríamos ver esta interferencia de Fano en la microscopía electrónica?" fue mucho más complicado de lo que esperábamos, "dijo Camden." Al principio nos dimos cuenta de que las ideas que se le ocurrían a nuestro equipo no estaban funcionando. Pero eventualmente, a través de prueba y error, lo hicimos bien ".

El equipo de Masiello trabaja tanto en la teoría de los plasmones como en la teoría de la microscopía electrónica. Utilizaron modelos analíticos del comportamiento de los sistemas plasmónicos para diseñar el diseño físico, así como interpretar el espectro, de un sistema totalmente plasmónico. Este sistema codificaría el efecto de interferencia que el equipo buscaba en los electrones dispersos del microscopio. El primer autor y estudiante de doctorado en física de la Universidad de Washington, Kevin Smith, determinó que una "paleta dorada" era lo óptimo. El sistema que diseñó consta de un delgado disco de oro, de solo 650 nanómetros de diámetro, junto a, pero sin tocar, una nanovarilla de oro solo 5, 000 nanómetros de largo. Para referencia, Aproximadamente 20 de esas nanovarillas, alineadas de un extremo a otro, equivaldrían al grosor de una hoja de papel.

Según el diseño teórico y el análisis matemático de Smith, un haz de electrones dirigido justo fuera del disco dorado de la piruleta desencadenaría los signos reveladores de una interferencia de Fano:los electrones dentro de la varilla lejana comenzarían a oscilar, conducido sólo a través del disco.

"Eso es precisamente lo que observamos cuando nuestros colaboradores en Oak Ridge probaron el sistema, "dijo Smith.

El éxito del equipo no solo demuestra que es posible excitar las interferencias de Fano directamente en un sistema plasmónico utilizando un haz de electrones. También proporciona nuevos marcos teóricos y modelos para trabajar con microscopios electrónicos sofisticados, como las instalaciones presentes en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

"Existe un emocionante nivel de precisión que es posible con este tipo de microscopios electrónicos, ", dijo Masiello." Abre la puerta a más experimentos como este, combinando resolución espacial a escala de átomo con alta resolución espectral desde el espectro visible hasta el infrarrojo lejano ".