Una vuelta de tuerca a los haces de electrones podría mejorar los microscopios electrónicos.

Científicos japoneses han generado, por primera vez, haces de electrones que muestran la propiedad fundamental de la física del momento angular orbital. Como los haces de luz conocidos hasta ahora, estos haces de elecrones tenían sus frentes de onda distorsionados de forma que giraban en el espacio y creaban una ‘singularidad de fase’. Podrían utilizarse para hacer microscopios electrónicos más potentes.

Los haces de luz poseen una propiedad conocida como momento angular de “spin”, que se asocia con con la dirección en la que se polariza la luz. Sin embargo, la luz también puede transportar momento angular “orbital”. Esto proviene de retorcer el frente de onda del haz, es decir, la localización de los puntos de la onda que están en fase. En contraste con el frente de onda de plano único de un haz colimado, este tipo de frente de onda gira alrededor de un eje central y lleva a lo que se conoce como “singularidad de fase” en el centro del haz, un tipo de vortex en el que la intensidad de la onda es nula y la fase indefinida. Estas ondas con forma de espiral han sido utilizadas en un gran número de aplicaciones como el “escáner óptico” y codificaciones de más dimensiones de óptica cuántica.

Los planos de onda pueden convertirse en estas ondas en espiral haciéndolas pasar a través de una pequeña rampa curvada conocida como “spiral phase plate”, en la que la altura en cualquier punto es proporcional al ángulo en ese punto. Construir esta estructura para las ondas de luz es relativamente sencillo, dado que puede formarse a partir de silicona utilizando técnicas litográficas comunes en la industria de semiconductores.

Haz de electrones

Haz de electrones afectados por un campo magnético. Wikipedia.

Pero hacer lo mismo para haces de electrones es más complicado. La mecánica cuántica nos dice que los electrones, como cualquier otro tipo de partícula, tienen una onda asociada, pero su longitud de onda tiende a ser mucho más pequeña que la de la luz. Esto quiere decir que la “phase plate” también necesita ser más pequeña. Los electrones con una energía de 300 keV requerirían una rampa hecha de silicona de un tamaño de aproximadamente 100 nm.

Masaya Uchida y Akira Tonomura del Instituto RIKEN de Wako, Japón, han utilizado este enfoque. En vez de intentar construir una espiral continúa, construyeron una estructura “por pasos” — el equivalente a una escalera de caracol.

Pulverizaron grafito de un lápiz en fragmentos muy finos y lo extendieron en una rejilla de cobre recubierto de una película de carbono. El resultado es un cuadrado de grafito creado por un gran número de pequeño cuadrados de diferentes grosores, siendo el de la esquina superior izquierda el más grueso, la superior derecha el segundo más grueso y así sucesivamente descendiendo en una espiral según las agujas del reloj. La diferencia típica en el grosor de los cuadrados adyacentes, en otras palabras, el grosor de sus películas de grafito, estaba entre 10 y 100 nm (Nature 464 737).

Para demostrar su “phase plate”, aceleraron un haz de electrones a una energía de 300 keV (correspondente a una longitud de onda de 0.002 nm) y luego dividieron el haz en dos. Una mitad del haz fue envíado a través de la “phase plate” y el otro permaneció como referencia del plano de onda. Dirigieno los dos haces a la pantalla y observando el patrón de interferencias, los investigadores vieron que el resultado tenía forma de singularidad de fase.

Miles Padgett de la Universidad de Glasgow dice que la investigación es “muy interesante” y que podría llevar a mejorar los microscopios electrónicos. Apunta a que el bajo contraste de la imagen puede ser mejorado explotando la fase en vez de la intensidad de la luz transmitida por un objeto, y cree que el nuevo trabajo podría “crear nuevas oportunidades para el uso de las imágenes de fase en la toma de imágenes con microscopios electrónicos”.

Uchida reconoce que mientras su técnica de carcasa espiral les ha permitido demostrar la realidad de las ondas de electrones, y por ello del momento angular orbital, no es suficientemente preciso para reproducir estas ondas de una forma eficaz. Dice que haces de iones focalizados podrían producir ondas en espiral con suficiente precisión.

Este artículo ha sido traducido de Physics World y publicado bajo licencia CC by-sa

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