Microscopía electrónica ultrarrápida

A lo largo de su formación académica un físico o ingeniero en física, estudia diversas teorías y aprende a aplicarlas en casos básicos.

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Por: Vicente Aboites

A lo largo de su formación académica un físico o ingeniero en física, estudia diversas teorías y aprende a aplicarlas en casos básicos.

Así, por ejemplo, al estudiar la teoría de mecánica newtoniana aprende a calcular la trayectoria elíptica de los planetas del sistema solar y el movimiento de un péndulo simple, al estudiar la teoría electromagnética aprende a calcular la capacitancia y el campo eléctrico entre dos placas metálicas paralelas, y al estudiar la mecánica cuántica aprende a calcular las órbitas y transiciones electrónicas del átomo de hidrógeno y los niveles de un oscilador cuántico.

Entre muchos otros ejemplos que tienen la característica común de poder resolverse exactamente. Sin embargo, en la vida profesional el científico al enfrentar problemas reales, estos generalmente tienen la desafortunada característica de que muy raramente tienen soluciones simples o exactas y por tanto se requiere del uso de métodos y técnicas aproximados que generalmente son muy complejos, o finalmente el uso de computadoras para darles una solución numérica que inevitablemente también es aproximada.

Se podría pensar que la solución usando computadoras es la más práctica, pero este no es el caso ya sea porque plantear el problema adecuadamente para solución numérica puede ser extremadamente complejo, o porque los requerimientos computacionales pueden ser tan grandes que el tiempo de computación rebasa lo razonable aun con las computadoras más rápidas disponibles.

La microscopía electrónica ultrarrápida es un ejemplo de una aplicación que tiene gran utilidad, pero cuyo análisis y planteamiento teórico es de enorme complejidad.

La idea práctica consiste en utilizar un microscopio electrónico para estudiar el comportamiento de materiales a nivel atómico sin embargo esto se realiza irradiando con pulsos láser y de electrones ultracortos la muestra de estudio.

En principio el problema es sencillo pues se tienen todas las herramientas teóricas para abordarlo: a partir de la teoría electromagnética de Maxwell se puede calcular la interacción de las ondas electromagnéticas de los pulsos láser con el medio; y a partir de la mecánica cuántica no relativista, utilizando la ecuación de Schrödinger, se puede calcular el comportamiento del material y los haces de electrones.

La idea aparentemente es simple, pero llevarla a la práctica es de enorme complejidad.

La Dra. Nahid Talebi del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad de Kiel desarrolló nuevos algoritmos y herramientas que permiten simular la interacción de luz y electrones a partir de primeros principios con gran eficiencia. Recientemente publicó sus resultados en la prestigiada revista Physical Review Letters (ver: “Strong Interaction of Slow Electrons with Near-Field Light Visited from First Principles”, Phys. Rev. Lett., 2020; 125 (8)) y se espera que tengan un profundo impacto en mejorar la microscopía electrónica ultrarrápida.

Una forma simple de entender en qué consiste esta técnica microscópica sería imaginar una discoteca con jóvenes bailando que son continuamente iluminados con la luz de lámparas estroboscópicas. Si usted ha visto este espectáculo sabrá que con cada disparo de luz estroboscópica pareciera que los bailarines se quedan estáticos, por tanto, al obtener una sucesión de disparos de esta luz tendremos como resultado una serie de imágenes cuasi-fotográficas que muestran en sucesión el movimiento de los jóvenes. ¡Es un espectáculo bastante hermoso!

Esto es similar a lo que ocurre con los pulsos láser ultrarrápidos, nos permiten obtener una sucesión cuasi-fotográfica del comportamiento atómico y molecular. Imagine usted, por ejemplo, lo maravilloso que es poder ver la interacción de átomos formando moléculas… ¡esto sería algo parecido a ver en imágenes estroboscópicas a dos jóvenes que románticamente van acercándose y finalmente terminan abrazados!

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