Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido

Un microscopio cuántico atómico permite hacer visible el movimiento de electrones en moléculas individuales.

Un microscopio ultrarrápido combina la resolución espacial y temporal atómica y, por lo tanto, permite obtener información sin precedentes sobre la dinámica de los electrones en las moléculas.

31 de enero de 2022

Para comprender mejor (y posiblemente controlar) las reacciones químicas rápidas, es necesario estudiar el comportamiento de los electrones con la mayor precisión posible, tanto en el espacio como en el tiempo. Sin embargo, hasta ahora, los métodos de microscopía han entregado solo imágenes espacial o temporalmente nítidas. Al combinar hábilmente las técnicas establecidas de microscopía de túnel y espectroscopía láser, un equipo dirigido por Klaus Kern, Director del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart, ahora ha superado estos obstáculos. Usando su microscopio cuántico atómico, pueden hacer visible el movimiento de electrones en moléculas individuales.

Es esencial no solo para comprender los procesos biológicos (por ejemplo, la fotosíntesis de las plantas) mapear la dinámica electrónica en las moléculas, sino también para muchas aplicaciones técnicas, como el desarrollo de células solares o nuevos tipos de componentes electrónicos. Hasta ahora, los métodos de imagen a veces han entregado imágenes que son difíciles de reproducir, o incluso contradictorias. Esto se debe a que no pueden mapear los electrones rápidos directamente, sino que deben recurrir a técnicas que solo pueden reconstruir el comportamiento de los electrones.



Resolución llevada al extremo: Utilizando una combinación de pulsos láser ultracortos (rojo) y un microscopio de túnel de barrido, los investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido están filmando procesos en el mundo cuántico. Enfocan los destellos del láser en el pequeño espacio entre la punta del microscopio y la superficie de la muestra, resolviendo así el proceso de tunelización en el que los electrones (azules) superan el espacio entre la punta y la muestra. De esta manera, logran una resolución temporal de varios cientos de attosegundos cuando obtienen imágenes de procesos cuánticos como un paquete de ondas electrónicas (onda coloreada) con resolución espacial atómica.


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Resolución llevada al extremo: Utilizando una combinación de pulsos láser ultracortos (rojo) y un microscopio de túnel de barrido, los investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido están filmando procesos en el mundo cuántico. Enfocan los destellos del láser en el pequeño espacio entre la punta del microscopio y la superficie de la muestra, resolviendo así el proceso de tunelización en el que los electrones (azules) superan el espacio entre la punta y la muestra. De esta manera, logran una resolución temporal de varios cientos de attosegundos cuando obtienen imágenes de procesos cuánticos como un paquete de ondas electrónicas (onda coloreada) con resolución espacial atómica.


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Aunque las técnicas modernas de microscopía ofrecen posibilidades casi ilimitadas, se deben hacer ciertas concesiones. Por ejemplo, la microscopía de túnel de barrido con una resolución de una décima parte de un picometro (1 × 10−12 m) permite tomar imágenes extremadamente nítidas de átomos individuales. Sin embargo, esto es lento y no puede capturar la dinámica electrónica en un material. Por otro lado, los métodos ópticos con pulsos láser ultrarrápidos pueden detectar movimientos de electrones en el attosegundo (1 × 10−18 de un segundo) rango. Sin embargo, solo pueden proporcionar imágenes espaciales gruesas y lavadas, muy alejadas de la resolución atómica posible con los microscopios de efecto túnel de barrido. La dinámica electrónica típica y los pulsos láser están en el rango de unos pocos cientos de attosegundos.

"Durante los últimos años, hemos estado trabajando en la combinación de estas dos técnicas de tal manera que podamos utilizar sus fortalezas sin introducir sus debilidades", dice Manish Garg, líder del grupo de investigación en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido. Para hacer esto, los investigadores tuvieron que combinar la microscopía de túnel de barrido probada y probada con la tecnología láser de última generación. En un microscopio de efecto túnel de barrido, una punta delgada como una oblea y atómicamente delgada viaja justo por encima de una superficie conductora. Gracias al efecto túnel físico cuántico, los electrones pueden fluir entre la superficie y la punta del microscopio, incluso si no hay contacto directo. Por ejemplo, una molécula en una superficie puede ser gradualmente afeitada átomo por átomo.

La nueva técnica de microscopía utiliza pulsos láser para modular la corriente del túnel excitando selectivamente los electrones en el material. "Esto debe hacerse extremadamente rápido. De lo contrario, los efectos térmicos entran en juego y hacen que las mediciones sean imposibles", explica Alberto Martín-Jiménez, que jugó un papel clave en los experimentos. Desafortunadamente, los pulsos láser ultrarrápidos necesarios en el rango de attosegundos no están disponibles "listos para usar". Sin embargo, gracias al rápido desarrollo de la tecnología láser en los últimos años, los investigadores ahora han podido generar precisamente los pulsos correctos. Hace dos años, Garg y Kern demostraron la función de un microscopio cuántico atómico de este tipo por primera vez.

Ahora han podido observar directamente el movimiento de electrones en las moléculas con este instrumento único en su tipo. Con la ayuda de los pulsos ultracortos, los electrones en la molécula pueden ser excitados para saltar entre los diferentes orbitales. Esto se notó en el flujo del túnel. Lo más destacado de la nueva técnica es poder disparar dos pulsos mínimamente retrasados en el tiempo en rápida sucesión a la molécula a investigar con un intervalo de tiempo exacto y escanearla en el proceso. Si este procedimiento se repite varias veces y el intervalo de tiempo entre los pulsos varía, se obtiene una serie de imágenes que reproduce el comportamiento de los electrones en esta molécula con precisión atómica. Por lo tanto, los pulsos láser rápidos proporcionan la información sobre la dinámica electrónica, mientras que el microscopio de túnel de barrido escanea con precisión la molécula.

"Esto nos permitió mapear directamente la dinámica de los electrones en las moléculas, cómo saltan de un orbital a otro, por primera vez", dice Garg. "Esta tecnología básica ofrece posibilidades completamente nuevas para observar directamente los procesos de la mecánica cuántica, como la transferencia de carga en moléculas individuales y, por lo tanto, comprenderlas mejor". Todavía no es posible predecir las posibles áreas de aplicación de dicho microscopio cuántico. Especialmente en los procesos de transferencia de carga, que desempeñan un papel crucial en muchas reacciones biofísicas, así como en las células solares y los transistores, podría proporcionar nuevos conocimientos cruciales.

 
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