Los físicos de la Universidad de Konstanz, Ludwig-Maximilians-Universität München LMU Munich y la Universidad de Regensburg han demostrado con éxito que los pulsos de electrones ultracortos experimentan un cambio de fase de la mecánica cuántica a través de su interacción con ondas de luz en materiales nanofotónicos, que pueden descubrirla funcionalidad de los nanomateriales. Los experimentos y resultados correspondientes se informan en el último número de Avances científicos.
Materiales nanofotónicos y metamateriales
Muchos materiales que se encuentran en la naturaleza pueden influir en las ondas electromagnéticas, como la luz, de diferentes formas. Sin embargo, generar efectos ópticos novedosos con el fin de desarrollar células solares, dispositivos de ocultación o catalizadores particularmente eficientes a menudo requiere estructuras artificiales, los llamados metamateriales.Estos materiales logran sus propiedades extraordinarias a través de una estructuración sofisticada a nanoescala, es decir, a través de una disposición en forma de cuadrícula de los bloques de construcción más pequeños en escalas de longitud muy por debajo de la longitud de onda de la excitación.
La caracterización y desarrollo de tales metamateriales requiere una comprensión profunda de cómo se comportan las ondas de luz incidentes cuando golpean estas estructuras diminutas y cómo interactúan con ellas. En consecuencia, las nanoestructuras ópticamente excitadas y sus campos cercanos electromagnéticos deben medirse en el espacioresoluciones en el rango de nanómetros ~ 10-9 m y, al mismo tiempo, en resoluciones temporales por debajo de la duración del ciclo de excitación ~ 10-15 s .Sin embargo, esto no se puede lograr con microscopía óptica convencional sola.
Difracción de electrones ultrarrápida de nanoestructuras excitadas ópticamente
A diferencia de la luz, los electrones tienen una masa en reposo y, por lo tanto, ofrecen una resolución espacial 100.000 veces mejor que los fotones. Además, los electrones se pueden usar para sondear campos electromagnéticos y potenciales debido a sus cargas. Un equipo dirigido por el profesor Peter Baum Universidadde Konstanz ha logrado ahora aplicar pulsos de electrones extremadamente cortos para lograr tal medición. Con ese fin, la duración de los pulsos de electrones se comprimió en el tiempo mediante radiación de terahercios hasta tal punto que los investigadores pudieron resolver eloscilaciones de los campos electromagnéticos cercanos en las nanoestructuras en detalle.
altas resoluciones espaciales y temporales
"El desafío involucrado con este experimento consiste en asegurarse de que la resolución sea lo suficientemente alta tanto en el espacio como en el tiempo. Para evitar los efectos de la carga espacial, solo usamos electrones individuales por pulso y aceleramos estos electrones a energías de 75 kiloelectrones voltios,"explica el profesor Peter Baum, último autor del estudio y jefe del grupo de trabajo para la luz y la materia en el Departamento de Física de la Universidad de Konstanz. Al ser dispersados por las nanoestructuras, estos pulsos de electrones extremadamente cortos interfieren con ellos mismos debido a su mecánica cuántica.propiedades y generar una imagen de difracción de la muestra.
Interacción con los campos electromagnéticos y potenciales
La investigación de las nanoestructuras de excitación óptica se basa en el principio conocido de los experimentos de bomba-sonda. Después de la excitación óptica de los campos cercanos, el pulso de electrones ultracorto llega a un punto definido en el tiempo y mide los campos congelados en el tiempo enespacio y tiempo. "Según las predicciones de Aharonov y Bohm, los electrones experimentan un cambio de fase mecánico cuántico de su función de onda cuando viajan a través de potenciales electromagnéticos", explica Kathrin Mohler, investigadora de doctorado en LMU Munich y primera autora del estudio.Estos cambios de fase inducidos ópticamente proporcionan información sobre la dinámica ultrarrápida de la luz en las nanoestructuras y, en última instancia, generan una secuencia de imágenes similar a una película que revela la interacción de la luz con las nanoestructuras.
Un nuevo régimen de aplicación para la holografía y difracción de electrones
Estos experimentos ilustran cómo la holografía y la difracción de electrones se pueden aprovechar en el futuro para mejorar nuestra comprensión de las interacciones fundamentales entre la luz y la materia que subyacen a los materiales y metamateriales nanofotónicos. A largo plazo, esto puede incluso conducir al desarrollo y la optimización de la óptica compacta,nuevas células solares o catalizadores eficientes.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Konstanz . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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