La microscòpia espaciotemporal com a potent eina per estudiar els fenòmens de transport
Una revisió publicada recentment a Advanced Electronic Materials per investigadors de l'ICN2, l'ICFO i la Universitat de Vrije analitza la microscòpia espaciotemporal com una tècnica prometedora i versàtil per observar i controlar els fenòmens de transport. Allà presenten els avantatges d'aquesta tècnica sobre les convencionals, mostren descobriments recents en el transport de partícules i calor, descriuen les seves implementacions experimentals i ofereixen informació sobre possibles aplicacions futures.
Comprendre els fenòmens de transport –processos que s'originen a partir del moviment de massa, càrrega o calor, ja sigui espontani o induït per una força– és fonamental per a la investigació de materials i la seva adaptació a aplicacions específiques. L'estudi i el control dels fenòmens de transport permet als científics observar processos complexos que ocorren en la matèria i, potencialment, aprendre com dirigir-los i explotar-los.
Algunes tècniques convencionals utilitzades per estudiar el transport de càrrega o calor requereixen contactes físics (per aplicar estímuls i/o llegir respostes), cosa que pot provocar efectes no desitjats. A més, no sempre faciliten la distinció entre diferents espècies de partícules o portadors. Per contra, les tècniques òptiques no requereixen contactes electrònics i permeten als investigadors centrar-se en espècies específiques d'interès gràcies a la selectivitat de la longitud d'ona. Entre aquestes tècniques, la microscòpia espaciotemporal (SPTM, de l'anglès spatiotemporal microscopy) s’erigeix com un mètode particularment prometedor per estudiar els fenòmens de transport visualitzant la difusió o la translació espacial de les espècies observades en funció del temps.
El Dr. Guillermo Brinatti-Vázquez i Giulia Lo Gerfo Morganti de l'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO, Espanya), en col·laboració amb investigadors de l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2, Espanya) i la Universitat Vrije d'Amsterdam (VU, Països Baixos ), són els primers autors d'una revisió sobre microscòpia espaciotemporal publicada recentment a Advanced Electronic Materials. L'assaig n'analitza les implementacions experimentals i algunes aplicacions, aportant exemples de fenòmens físics interessants descoberts gràcies a aquesta tècnica.
Amb la intenció d'oferir una visió general del tema, l'article descriu els principis de les mesures òptiques resoltes temporalment i l'avantatge d'observar tant l'evolució temporal com l'espaial del sistema estudiat. També es consideren els casos de transport regits per partícules o quasipartícules i de la calor electrònica o fonònica.
Diverses implementacions experimentals de la SPTM (com són la microscòpia correlacionada en el temps, imatges de camp ampli, escaneig de punts i tècniques basades en reixetes) són analitzades, destacant escenaris en què una pot ser preferible a les altres. Després de proporcionar un breu resum de la teoria del transport, els autors procedeixen a presentar descobriments recents relacionats amb el transport de partícules que han estat possibles gràcies a estudis espaciotemporals, tant en el cas de partícules com de transport de calor. De fet, aquesta tècnica ofereix avantatges notables en termes d'escales de temps, podent resoldre fins als femtosegons, i escales de longitud, arribant fins als nanòmetres.
Finalment, es proporciona una perspectiva sobre les aplicacions o les extensions emergents i futures d'aquesta tècnica. Els autors suggereixen que la SPMT basada en fotocorrent jugarà un paper crucial a l'hora de connectar la dinàmica del transport amb la funcionalitat i el rendiment del dispositiu. Les SPTM de banda ampla i multidimensionals també són prometedores, ja que permetrien separar les contribucions de transport de diferents espècies. Es requereixen més desenvolupaments per habilitar l'ús d'aquesta tècnica a l'hora de resoldre estructures nanomètriques a prop d'interfícies o en altres situacions en què els fenòmens de difracció poden dificultar-ne el rendiment. Una altra direcció de desenvolupament interessant és la substitució dels feixos òptics per feixos d'electrons, cosa que conduiria a una resolució espacial molt alta.
La revisió pretén ser una introducció de referència a la microscòpia espaciotemporal per a l'estudi dels fenòmens de transport en diferents contextos i proporcionar directrius per als científics interessats a incloure la SPTM a la seva “caixa d'eines” per a la recerca.
Referència bibliogràfica
Guillermo D. Brinatti Vazquez, Giulia Lo Gerfo Morganti, Alexander Block, Niek F. van Hulst, Matz Liebel, Klaas-Jan Tielrooij, Spatiotemporal Microscopy: Shining Light on Transport Phenomena. Advanced Electronic Materials, 2023. DOI: https://doi.org/10.1002/aelm.202300584