Científicos de la Facultad de Ciencias Puras y Aplicadas de la Universidad de Tsukuba crearon «instantáneas» de microscopía de túnel de barrido (STM) con un retraso entre cuadros mucho más corto de lo que era posible anteriormente. Mediante el uso de métodos láser ultrarrápidos, mejoraron la resolución temporal de picosegundos a decenas de femtosegundos, lo que puede mejorar enormemente la capacidad de los científicos de materia condensada para estudiar procesos extremadamente rápidos.

Un picosegundo, que es una trillonésima de segundo, es mucho más corto que un abrir y cerrar de ojos. Para la mayoría de las aplicaciones, una cámara de cine que pudiera grabar fotogramas en un picosegundo sería mucho más rápida de lo necesario. Sin embargo, para los científicos que intentan comprender la dinámica ultrarrápida de los materiales que utilizan STM, como la reorganización de los átomos durante una transición de fase o la breve excitación de los electrones, puede ser dolorosamente lento.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Tsukuba diseñó un sistema STM basado en un método de bomba-sonda que se puede utilizar en una amplia gama de tiempos de retardo tan cortos como 30 femtosegundos. En esta técnica, se utiliza un láser de «bomba» para excitar el material, seguido rápidamente por un láser de «sonda». El tiempo de retardo está controlado por espejos móviles que cambian la distancia que debe recorrer el haz de la sonda. A la velocidad de la luz, esto se traduce en tiempos de retardo del orden de femtosegundos. Esta escala de tiempo es necesaria para obtener una comprensión más completa del comportamiento de los materiales. «En la materia condensada, la dinámica a menudo no es espacialmente uniforme, sino que se ve fuertemente afectada por las estructuras locales, como los defectos a nivel atómico, que pueden cambiar en escalas de tiempo muy cortas», dice el autor principal, el profesor Hidemi Shigekawa.

En la nueva configuración, el haz de la sonda activa el circuito STM para registrar datos microscópicos. A modo de ilustración, los investigadores estudiaron la dinámica de desequilibrio ultrarrápido fotoinducida del telururo de molibdeno (MoTe2). Pudieron medir la dinámica de los electrones en el rango de tiempo de hasta un picosegundo y descubrieron que estaban de acuerdo con las predicciones teóricas de la renormalización de la estructura de la banda. Las imágenes STM formaron «instantáneas», en las que se podían resolver los átomos individuales y se podían seguir los efectos de la excitación.

«Este nivel de aumento se ha logrado antes, pero nuestro trabajo representa un avance significativo en la resolución temporal disponible para los microscopios electrónicos de barrido», dice el autor principal, el profesor Yusuke Arashida. Los investigadores anticipan que estos sistemas podrían ayudar en una amplia gama de aplicaciones de la ciencia de los materiales, como el diseño de nuevas células solares o dispositivos electrónicos a nanoescala.

Este estudio recibió apoyo financiero en forma de subvenciones para la investigación científica (17H06088, 20H00341, 20H05662) de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.