Gracias Inna Vishik por la A2A.
Esta respuesta se centrará principalmente en la microscopía electrónica de transmisión en lugar de la microscopía óptica, porque ahí es donde yace mi conocimiento. La física subyacente a la microscopía electrónica y óptica es similar en un sentido clásico con respecto a la óptica de onda. Sin embargo, estas dos técnicas operan en dos dominios complementarios, y las técnicas descubiertas en uno con frecuencia causan recalibraciones en el otro.
Ahora, no soy un observador de bolas de cristal, por lo que no puedo predecir exactamente el futuro. Pero lo que trataré de hacer es tirar de hilos históricos, señalar el estado del arte y hablar sobre el futuro mediante el razonamiento inductivo del presente.
Según lo establecido por DeBroglie, todo actúa simultáneamente como materia y onda. Ahora, cuanto más pequeñas son las partículas, más fuerte es la naturaleza ondulatoria. Davisson y Germer demostraron la difracción por ondas de electrones en la década de 1920, y el primer microscopio electrónico de transmisión se construyó poco después por Ernst Ruska en 1931. El Dr. Ruska creó el primer TEM como parte de su disertación de doctorado, en mi Opinión la mayor tesis doctoral experimental jamás realizada. Y sí, TEM como instrumento tiene más de 80 años, y hemos recorrido un largo camino desde entonces.
Microscopio electrónico construido por Ernst Ruska en 1933 (Imagen de Wikipedia)
Los primeros microscopios electrónicos tenían sistemas de vacío deficientes y estaban plagados de contaminación por carbono. La mayoría de los microscopios electrónicos originales también usaban fuentes de emisión termiónica. La emisión termiónica es el fenómeno de la emisión de electrones por un material si se calienta más allá de la temperatura de su función de trabajo. Así, los filamentos más tempranos se hicieron de tungsteno, y más tarde se cambiaron a hexaboruro de lantano.
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Filamento LaB6 (Imagen de Ted Pella)
El primer cambio que aumentó las capacidades de los microscopios de electrones fueron mejores sistemas de vacío, y el segundo fue el desarrollo de la pistola de emisión de campo (FEG).
Un FEG opera por emisión de electrones de campo en lugar de emisión termoiónica. Aquí, los electrones se filtran a través de gradientes de potencial muy alto, y los gradientes se hacen para alcanzar niveles astronómicos mediante el micromaquinado de las puntas de los cañones de electrones hasta 80 nm. 
Esquema de una pistola de emisión de campo (Imagen de InTech)
La emisión de electrones de un FEG es coherente, y también es más monocromática.
Ahora, permítanme darles una breve descripción de la parte más importante de cualquier microscopio: lentes.
La idea de que los campos magnéticos generados por bobinas magnéticas actúan como lentes para las ondas de electrones, y el posterior desarrollo de la idea fue la base del Premio Nobel de Física de 1986 otorgado a Ernst Ruska.
Esquema de lentes magnéticas (Imagen de Advanced Research Systems)
La mayoría de las lentes magnéticas en los microscopios electrónicos son lentes de hexapole o de octapole. Ahora, debido a las vibraciones térmicas, las imperfecciones del mecanizado y la física simple, las lentes tienen aberraciones. En comparación con las lentes ópticas, uno de los mayores problemas que tiene EM es que no tenemos lentes cóncavas. Por lo tanto, la corrección de la aberración es un problema muy desafiante.
Los principales problemas que causan las aberraciones, además de las imágenes incorrectas, son que disminuyen la información transmitida. La matemática que une las funciones de transferencia de contraste, las aberraciones y la transferencia de información es bastante complicada. En los años ochenta, Knut Urban realizó los primeros estudios teóricos en Max Planck sobre la corrección de las aberraciones, mientras que a mediados de los noventa se mecanizó el primer corrector de aberraciones en Alemania.
El fabricante de TEM involucrado en este proceso fue Philips. La división de microscopía electrónica de Philips fue luego comprada por FEI. FEI continuó con este proyecto, asociándose con el Centro Nacional de Microscopía Electrónica en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el Laboratorio de Investigación de Materiales en Illinois, el Laboratorio Nacional de Argonne y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. En 2009, el TEAM 0.5 se fabricó por primera vez, seguido del TEAM 1 en 2010. FEI actualmente fabrica microscopios TEAM como microscopios Titan3, y hay varias universidades en todo el mundo, incluido mi propio lugar, que están instalando estos sistemas.
FEI Titan3 en el estado de Arizona
El presidente Obama ve átomos usando el Titan3 mientras visita Intel
Estos microscopios corrigen las aberraciones cromáticas, consiguen una diseminación de energía de alrededor de 0,1 eV y se corrigen para aberraciones esféricas de hasta tercer orden (la función de aberración se puede expresar como una serie convergente de Taylor, y tenemos microscopios que corrigen hasta el tercero coeficiente de orden), generando una resolución lateral de hasta 70 picómetros.
Entonces, ¿qué significan estos avances?
En los últimos años, los haces de electrones altamente monocromáticos tienen espectroscopia de pérdida de energía de electrones masivamente avanzada (EELS). Ahora podríamos hacer mapeo átomo a átomo, calcular valores de intervalo de banda localizados y mucho más. La observación de átomos en tiempo real y la obtención de su información de enlace en tiempo real también afinan el modelado molecular.
Toda esta capacidad ha llegado simultáneamente con el descubrimiento de estructuras bidimensionales como el grafeno / nitruro de boro, etc. Así, sabemos cómo se comportan estas estructuras 2D bajo un haz, cómo se unen y todo este conocimiento nos ayuda en el camino hacia la fabricación de dispositivos desde estas estructuras Aparte de estos, como lo atestiguaría Inna, la superconductividad en sí misma es un fenómeno interfacial. Estudiar interfaces en una escala atómica nunca fue posible antes, pero ahora podríamos hacerlo y arrojar nueva luz sobre el fenómeno.
Otro desarrollo muy emocionante que está sucediendo es el desarrollo de placas de fase. Los grupos han estado tratando de crear nuevos haces de ondas de electrones que tienen un momento angular orbital. Esta idea se desprende de los estudios de OAM en haces ópticos y fibras ópticas. Una de las aplicaciones más interesantes de esta idea es que los haces de electrones OAM tendrán interacciones diferenciales con diferentes estados de espín en las muestras, lo que nos permite sondear los estados de espín de los electrones en muestras con TEM.
Aparte de estos, los grupos han estado avanzando en la microscopía electrónica in situ. El nitruro de silicio es bastante transparente en los electrones y, por lo tanto, las personas han estado experimentando con imágenes de líquidos y muestras gaseosas encerradas en dichos soportes TEM. La gente ha fabricado baterías e incluso sistemas de deposición de vapor químico en dichos chips, y los ha creado en tiempo real.
Soporte in situ de Protochips
En el futuro, como podríamos ver, probablemente corregiremos las aberraciones esféricas de orden superior reduciendo la resolución. Después de todo, para un haz de electrones a 200kV de excitación, la longitud de onda es de alrededor de las 2,5 pm, por lo que aún estamos muy por encima del límite de Rayleigh. Puede ser que incluso podamos “ver” orbitales moleculares en un microscopio electrónico. El desarrollo de fuentes aún más monocromáticas aumentará el EELS, mientras que el TEM in situ creará ondas muy pronto. Las aplicaciones de estas técnicas impactarán casi todo en la investigación de materiales.
AFM punta de átomos en movimiento.