Los microscopios electrónicos (Scanning Electron Microscope, SEM) son especialmente adecuados como alternativa a los microscopios ópticos para obtener imágenes de las estructuras más pequeñas. Ahora, los investigadores han perfeccionado un microscopio electrónico para que los pulsos ultracortos de electrones también puedan medir campos electromagnéticos variables, lo que lo hace idóneo para futuras investigaciones de nuevos tipos de metamateriales y circuitos con propiedades ópticas especiales. Los científicos A. Ryabov y P. Baum, del Max Plank Institute of Quantum Optics, presentaron su microscopio electrónico en la revista "Science". Ver [1].

Figura 1: Primera página del artículo [1] donde se muestra un dibujo del SEM.

El microscopio electrónico es probablemente el instrumento más flexible para observar las cosas más pequeñas, desde biomoléculas hasta nanoestructuras y células. Incluso se pueden ver átomos. Los fenómenos que ocurren en dicho dispositivo se han estudiado en COMSOL Multiphysics [2]. Para ejemplificar más sobre el mundo de los SEMs, un microscopio óptico normal utiliza luz y un microscopio electrónico toma electrones como ondas de materia para examinar una muestra. Básicamente, se crea un haz de electrones, se enfoca sobre la muestra y se observa lo que aparece. Los electrones, como partículas cuánticas, tienen una longitud de onda mucho más corta que la luz, quizá cien mil veces más corta. Y por eso se pueden enfocar con mucha más fuerza que la luz con una óptica de electrones hecha de lentes magnéticas y electrostáticas. Por eso se pueden obtener imágenes de estructuras de tamaño atómico.

Figura 2: Haz de electrones en un microscopio electrónico estudiado en COMSOL Multiphysics [2].

En la referencia [1], los investigadores han perfeccionado el microscopio electrónico para que pueda obtener imágenes no sólo de las estructuras, es decir, de la materia, sino también de los campos electromagnéticos dinámicos dentro y alrededor de la materia. El motivo es que casi toda la electrónica y circuitos en ordenadores y laboratorios se basan en campos electromagnéticos que cambian. El transistor es un ejemplo de ello: aquí un campo eléctrico conmuta otro campo eléctrico o corriente. Otro ejemplo serían las guías de luz. Siempre se trata de campos electromagnéticos que cambian en el espacio y en el tiempo. Tanto los transistores como las guías de luz se han estudiado en COMSOL Multiphysics. Ver [3], [4], [5] y [6].

Figura 3: Corte transversal en un transistor [4] para visualizar el potencial eléctrico y la dirección de la densidad de corriente con las flechas.

Figura 4: Norma del Campo Eléctrico Bidireccional a una frecuencia de 260.69 Hz mostrado en [6].

De acuerdo con los avances en esta materia (microscopía de electrones), se utilizarán pulsos de electrones aún más cortos para conseguir un microscopio electrónico de con mayor resolución espacial [1]. Así, se pueden investigar metamateriales reales, nuevas antenas ópticas con efectos especiales. También se puede observar qué ocurre realmente en los transistores y elementos de conmutación del futuro durante su funcionamiento en el espacio y el tiempo.

Referencias

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaf8589
[2] https://www.comsol.com/model/magnetic-lens-10185
[3] https://ieeexplore.ieee.org/document/9569053
[4] https://www.comsol.com/model/3d-analysis-of-a-bipolar-transistor-19699
[5] https://www.comsol.com/blogs/mode-analysis-for-electromagnetic-waveguides-in-comsol/
[6] https://www.comsol.com/support/learning-center/article/Modeling-Optical-Waveguides-50031