La holografía llega a los objetos nanométricos

Físicos suizos han desarrollado un método basado en los principios de los hologramas para capturar imágenes en 3D de objetos nanométricos, situados más allá del alcance de la luz.

La luz está formada por partículas elementales desprovistas de masa denominadas fotones. Estas partículas de luz siguen la dualidad onda-partícula que caracteriza al mundo cuántico, es decir, que pueden ser ondas y partículas a la vez.

​Cuando tomamos una fotografía, lo que hacemos es capturar la cantidad de luz de los diferentes colores que llegan a la película. Pero no podemos verla en 3D porque la cámara no puede captar el comportamiento ondulatorio de los fotones. Sólo capta la partícula de luz.

Sin embargo, la holografía ha permitido trascender esta limitación para los objetos cotidianos: permite crear imágenes tridimensionales mediante el empleo de la luz. Con este tipo de imágenes, la luz se registra como onda y partícula a la vez y de esta forma es posible mostrar imágenes tridimensionales como las que se mostraban en la película la guerra de las galaxias.

Sin embargo, la resolución espacial de esta fotografía holográfica depende de la longitud de onda de la luz, por lo que se puede usar para objetos macroscópicos, pero no para objetos nanométricos.

La onda de luz se sitúa en torno a 1  micra (μm, 0,001 mm) o justo debajo de ella, por lo que no alcanza a iluminar a objetos por debajo de esa magnitud. Los objetos nanométricos son tan pequeños  que el grosor de su superficie está entre 0.1 y 100 nanómetros (un nanómetro representa  la milmillonésima parte de un metro) y escapan al alcance de las ondas de luz. Por lo tanto, ha resultado imposible, hasta ahora, reflejar en 3D lo que pasa en el mundo cuántico usando la holografía.

Limitación trascendida

Lo que han hecho los investigadores suizos es trascender, precisamente, esta limitación. Han desarrollado un método que permite observar el comportamiento de la luz a una escala muy pequeña, mucho más allá de las limitaciones impuestas por la longitud de onda en su interacción con la materia.

El método se basa en el uso de electrones libres, que no están ligados a ningún átomo en particular. Estos investigadores han comprobado que el microscopio electrónico ultrarrápido puede usar estas partículas de luz, que recorren el espacio libre en torno al átomo, para registrar la interacción de la luz con la materia.

Con esta herramienta, es posible utilizar la naturaleza cuántica de la interacción entre las ondas de electrones y las partículas de luz para diferenciar las ondas de las partículas en esa interacción. Gracias a esa diferenciación, pueden utilizar los pulsos de luz para codificar la información de las ondas de fotones.

Una vez codificada esta información, los investigadores se han valido del microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida, que proporciona medios intuitivos para observar los movimientos atómicos y moleculares de la materia, para representar en 3D el espectáculo nanométrico imposible hasta ahora de ser codificado y reflejado.

Ventajas cruciales

Este nuevo método puede proporcionar dos ventajas cruciales: por un lado, proporcionar información sobre la luz en sí misma, lo que la convierte en una herramienta poderosa para visualizar campos electromagnéticos con una precisión de attosegundo (trillonésima parte de un segundo) a lo largo del tiempo y de nanómetro en el espacio. Por otro lado, el método puede aplicarse en la computación cuántica para manipular las propiedades cuánticas de los electrones libres.

"La holografía convencional puede extraer información en 3D al medir la diferencia en la distancia recorrida por la luz desde varias partes del objeto", explica el director del laboratorio donde se ha realizado el experimento, Fabrizio Carbone, en un comunicado.

Sin embargo, añade, “esto requiere un haz de referencia adicional desde una dirección diferente para medir la interferencia entre los dos. El concepto es idéntico al de los electrones, sin embargo, ahora podemos obtener una mejor resolución espacial debido a su longitud de onda mucho más corta. Por ejemplo, hemos logrado grabar películas holográficas de objetos que se mueven rápidamente usando pulsos de electrones ultra cortos".

“Más allá de la computación cuántica, la técnica tiene una resolución espacial mucho más alta que otros métodos y podría cambiar nuestra concepción cotidiana de la luz. Hasta ahora, la ciencia y la tecnología se han limitado a los fotones libres utilizados en los dispositivos ópticos macroscópicos", continúa Fabrizio Carbone. Nuestra nueva técnica nos permite visualizar lo que sucede con la luz en la nanoescala. Este es el primer paso para miniaturizar e integrar dispositivos de luz en circuitos integrados", concluye.

Referencia

Holographic imaging of electromagnetic fields via electron-light quantum interference.  I. Madan et al.  Science Advances  03 May 2019: Vol. 5, no. 5, eaav8358. DOI:10.1126/sciadv.aav8358