Filmar electrones en acción

Los físicos del Instituto de Óptica y Física Atómica han desarrollado un nuevo método que permite capturar imágenes en movimiento de procesos periódicos en el microscopio electrónico de transmisión (MET). Tales procesos son, por ejemplo, cambios de conmutación en componentes electrónicos modernos, las llamadas nanoestructuras semiconductoras. Hasta ahora, no era posible obtener una visión más profunda de estos procesos.

Lo novedoso del método desarrollado por el Dr. Tolga Wagner bajo la dirección del Prof. Dr. Michael Lehmann consiste en que lograron inventar una técnica de obturación o cierre completamente nueva, actualmente patentada [1], para permitir "filmaciones" en el MET, o dicho de otra forma, para "filmar" electrones en el interior de una muestra durante su funcionamiento. Esto favorece la resolución de procesos físicos fundamentales como la dinámica de portadores de carga en nanoestructuras semiconductoras.

"En la microscopía electrónica siempre se intenta mantener las condiciones de medición lo más estables posible", dice el Dr. Tolga Wagner. Los microscopios electrónicos de transmisión de alta resolución son muy sensibles a perturbaciones externas como vibraciones, inestabilidades térmicas o fluctuaciones en campos electromagnéticos. Esto es aún más cierto en la holografía electrónica. Solo proporciona información, por ejemplo, sobre la distribución de potencial dentro de una muestra, cuando se produce interferencia, es decir, superposición de dos ondas electrónicas coherentes, de modo que se pueda registrar un patrón de interferencia, que es el holograma electrónico. Para ello, la "estabilidad" de las ondas electrónicas entre sí es un requisito previo.

En lugar de mantener las condiciones de medición lo más estables posible, el Dr. Tolga Wagner y sus colegas interrumpen conscientemente la medición y permiten la interferencia solo durante un corto período de tiempo. La información generada de esta manera proviene únicamente del período en el que ocurrió la interferencia. Por un lado, este período (casi) puede ser elegido tan pequeño como se desee — resoluciones temporales en el rango de picosegundos (una millonésima de un parpadeo) son alcanzables con un esfuerzo manejable. Por otro lado, el esfuerzo para suprimir la interferencia, debido a la alta sensibilidad del sistema ante perturbaciones externas, es bajo. "La idea básica de nuestro nuevo método consiste en que podemos activar y desactivar la interferencia muy rápidamente mediante perturbaciones controladas. Este es el principio de nuestra técnica de obturación, que hemos denominado 'interference gating', o sea, compuerta de interferencia", explica el Dr. Tolga Wagner. La posición y el ancho de la "puerta" misma determinan cuándo y cuánto tiempo se registra la información. Con este método, los físicos de la TU lograron aumentar la resolución temporal del microscopio electrónico de transmisión, que se encuentra en el campus de la TU en Berlín-Charlottenburg y que fue especialmente optimizado para la investigación en holografía electrónica, del rango de segundos a 25 nanosegundos [2]. En estas escalas temporales, ocurren, entre otras cosas, procesos electrónicos en semiconductores. "Con la holografía electrónica de resolución temporal que hemos desarrollado, ahora es posible filmar cambios de potencial causados por el movimiento de electrones en su paso a través de nanómetros (una millonésima de milímetro) en semiconductores", dice el Dr. Tolga Wagner.

[1] Michael Lehmann, Tore Niermann y Tolga Wagner. "METHOD AND APPARATUS FOR CARRYING OUT A TIME-RESOLVED INTERFEROMETRIC MEASUREMENT.", Número de publicación: EP3376522A1; TW201833521A; US2020103213A1; WO2018166786A1 (2018).
https://patentimages.storage.googleapis.com/3f/99/6a/e600762da71959/US20200103213A1.pdf
[2] Tolga Wagner, Tore Niermann, Felix Urban y Michael Lehmann. "Nanosecond electron holography by interference gating." Ultramicroscopy 206 (2019): 112824.
https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2019.112824

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Dr. Tolga Wagner
TU Berlín
Departamento de Física Experimental / Nanoóptica de Electrones y Iones
Tel.: 030 314-24428
Correo electrónico: tolga.wagner@tu-berlin.de