Científicos de Israel han logrado un avance drástico en el campo de la ciencia cuántica: un microscopio cuántico que registra el flujo de luz, permitiendo la observación directa de la luz atrapada dentro de un cristal fotónico, algo hasta ahora solo posible en simulaciones por ordenador.

Se trata de un nuevo microscopio electrónico 4D, el primero de su tipo en Israel y uno de los pocos en el mundo. El sistema proporcionará una gama de capacidades sin precedentes en la investigación de física y materiales habilitada al tener una resolución espacial y temporal excepcional simultáneamente accesible, según sus autores, del Instituto Tecnológico Technion-Israel, que describen el nuevo dispositivo en Nature.

«Hemos desarrollado un microscopio electrónico que produce, en muchos aspectos, la mejor microscopía óptica de campo cercano del mundo. Con nuestro microscopio, podemos cambiar el color y el ángulo de luz que ilumina cualquier muestra de nanomateriales y mapear sus interacciones con electrones, como demostramos con cristales fotónicos «, explicó el profesor Ido Kaminer, primer autor del estudio. «Esta es la primera vez que podemos ver la dinámica de la luz mientras está atrapada en nanomateriales, en lugar de depender de simulaciones por computadora», agregó el doctor Kangpeng Wang, un postdoc en el grupo y primer autor del artículo.

Es probable que este avance tenga un impacto en numerosas aplicaciones potenciales, incluido el diseño de nuevos materiales cuánticos para almacenar bits cuánticos con mayor estabilidad. Del mismo modo, puede ayudar a mejorar la nitidez de los colores en los teléfonos celulares y otros tipos de pantallas.

«Tendrá un impacto aún mayor una vez que investiguemos materiales nano / cuánticos más avanzados. Tenemos un microscopio de muy alta resolución y comenzamos a explorar las siguientes etapas», explicó el profesor Kaminer en un comunicado. «Por ejemplo, las pantallas más avanzadas del mundo actual utilizan la tecnología QLED basada en puntos cuánticos, lo que permite controlar el contraste de color en una definición mucho más alta. El desafío es cómo mejorar la calidad de estos pequeños puntos cuánticos en superficies grandes y hágalos más uniformes. Esto mejorará la resolución de la pantalla y el contraste de color aún más de lo que permiten las tecnologías actuales «.

El microscopio electrónico de transmisión ultrarrápido en el laboratorio AdQuanta del profesor Kaminer tiene un voltaje de aceleración que varía de 40 kV a 200 kV (acelera los electrones al 30-70% de la velocidad de la luz), y un sistema láser con pulsos inferiores a 100 femtosegundos a 40 vatios. El microscopio de transmisión electrónica ultrarrápido es una configuración de sonda de bomba de femtosegundo que utiliza pulsos de luz para excitar la muestra y pulsos de electrones para sondear el estado transitorio de la muestra. Estos pulsos de electrones penetran en la muestra y la representan. La inclusión de capacidades multidimensionales en una configuración es extremadamente útil para la caracterización completa de objetos a nanoescala.

En el corazón del avance radica el hecho de que los avances en la investigación de interacciones ultrarrápidas de luz libre de electrones han introducido un nuevo tipo de materia cuántica: «paquetes de ondas» cuánticos de electrones libres. En el pasado, la electrodinámica cuántica (QED) estudió la interacción de la materia cuántica con los modos de luz de la cavidad, que ha sido crucial en el desarrollo de la física subyacente que constituye la infraestructura de las tecnologías cuánticas. Sin embargo, todos los experimentos hasta la fecha solo se han centrado en la luz que interactúa con los sistemas de electrones unidos, como átomos, puntos cuánticos y circuitos cuánticos, que están significativamente limitados en sus estados de energía fija, rango espectral y reglas de selección. Sin embargo, los paquetes cuánticos de ondas de electrones libres no tienen tales límites. A pesar de las múltiples predicciones teóricas de nuevos y excitantes efectos de la cavidad con electrones libres, no se ha observado previamente ningún efecto de la cavidad fotónica para los electrones libres, debido a los límites fundamentales en la fuerza y ??la duración de la interacción.

El profesor Kaminer y su equipo han desarrollado una plataforma experimental para el estudio multidimensional de interacciones de electrones libres con fotones a escala nanométrica. Su microscopio único logró registrar mapas ópticos de campo cercano utilizando la naturaleza cuántica de los electrones, que se verificaron al observar oscilaciones Rabi del espectro electrónico que no pueden explicarse por la teoría clásica pura.

Las interacciones de fotones de cavidad libre de electrones más eficientes podrían permitir un fuerte acoplamiento, síntesis de fotones de estado cuántico y nuevos fenómenos cuánticos no lineales. El campo de la microscopía electrónica y las áreas adicionales de la física de electrones libres pueden beneficiarse de la fusión con las cavidades fotónicas, permitiendo microscopía electrónica ultrarrápida a baja dosis de materia blanda u otros materiales sensibles al haz.

Fuente: europapress.es