Un microscopio ultrarrápido para el mundo cuántico
Los procesos que tienen lugar dentro de diminutos componentes electrónicos o en moléculas pueden ahora ser filmados con una resolución de unos pocos cientos de atosegundos y hasta el átomo individual.
Resolución llevada al extremo: Mediante una combinación de pulsos de láser ultracortos (rojo) y un microscopio de túnel de barrido, los investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido están filmando procesos en el mundo cuántico. Enfocan los destellos de láser en el diminuto hueco entre la punta del microscopio y la superficie de la muestra, resolviendo así el proceso de tunelización en el que los electrones (azules) superan el hueco entre la punta y la muestra. De esta manera, logran una resolución temporal de varios cientos de attosegundos cuando visualizan procesos cuánticos como un paquete de ondas electrónicas (onda de color) con resolución espacial atómica.
© Dr. Christian Hackenberger
El funcionamiento de los componentes para los futuros ordenadores puede ser ahora filmado en calidad HD, por así decirlo. Manish Garg y Klaus Kern, investigadores del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido en Stuttgart, han desarrollado un microscopio para los procesos extremadamente rápidos que tienen lugar en la escala cuántica. Este microscopio, una especie de cámara HD para el mundo cuántico, permite el seguimiento preciso de los movimientos de los electrones hasta el átomo individual. Por lo tanto, debería proporcionar información útil cuando se trata de desarrollar componentes electrónicos extremadamente rápidos y extremadamente pequeños, por ejemplo.
Los procesos que tienen lugar en el mundo cuántico representan un desafío incluso para los físicos más experimentados. Por ejemplo, las cosas que ocurren dentro de los componentes cada vez más potentes de los ordenadores o los smartphones no sólo suceden con extrema rapidez, sino también en un espacio cada vez más pequeño. Cuando se trata de analizar estos procesos y optimizar los transistores, por ejemplo, los vídeos de los electrones serían de gran utilidad para los físicos. Para lograr esto, los investigadores necesitan una cámara de alta velocidad que exponga cada cuadro de este "vídeo de electrones" durante unos pocos cientos de attosegundos. Un attosegundo es una billonésima de una billonésima de segundo; en ese tiempo, la luz sólo puede viajar a lo largo de una molécula de agua. Durante varios años, los físicos han utilizado pulsos de láser de una longitud suficientemente corta como una cámara attosecond.
En el pasado, sin embargo, una imagen de un attosegundo entregaba sólo una instantánea de un electrón contra lo que era esencialmente un fondo borroso. Ahora, gracias al trabajo de Klaus Kern, Director del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido, y de Manish Garg, un científico del Departamento de Kern, los investigadores pueden ahora también identificar con precisión dónde se encuentra el electrón filmado hasta el átomo individual.
Pulsos de láser ultracortos combinados con un microscopio de túnel de barrido
Para ello, los dos físicos utilizan pulsos de láser ultracortos junto con un microscopio de túnel de barrido. Este último logra una resolución a escala atómica al escanear una superficie con una punta que en sí misma está idealmente compuesta por un solo átomo. Los electrones hacen un túnel entre la punta y la superficie, es decir, atraviesan el espacio intermedio aunque en realidad no tienen suficiente energía para hacerlo. Como la eficacia de este proceso de tunelización depende en gran medida de la distancia que deben recorrer los electrones, se puede utilizar para medir el espacio entre la punta y una muestra y, por lo tanto, para representar incluso átomos y moléculas individuales en una superficie. Hasta ahora, sin embargo, los microscopios de barrido de túneles no lograron una resolución temporal suficiente para rastrear los electrones.
"Al combinar un microscopio de túnel de barrido con pulsos ultrarrápidos, fue fácil utilizar las ventajas de los dos métodos para compensar sus respectivas desventajas", dice Manish Garg. Los investigadores disparan estos pulsos de luz extremadamente cortos en la punta del microscopio -que se posiciona con precisión atómica- para desencadenar el proceso de tunelización. Como resultado, esta cámara de alta velocidad para el mundo cuántico ahora también puede alcanzar una resolución HD.
Preparando el camino para la electrónica de ondas de luz, que es millones de veces más rápida
Con la nueva técnica, los físicos pueden ahora medir exactamente dónde están los electrones en un momento específico hasta el átomo individual y con una precisión de unos pocos cientos de attosegundos. Por ejemplo, esto puede ser usado en moléculas que han tenido un electrón catapultado fuera de ellas por un pulso de luz de alta energía, conduciendo a los portadores de carga negativa restantes a reacomodarse y posiblemente causando que la molécula entre en una reacción química con otra molécula. "Filmar los electrones en las moléculas en vivo, y en su escala espacial y temporal natural, es vital para comprender la reactividad química, por ejemplo, y la conversión de la energía de la luz dentro de las partículas cargadas, como los electrones o los iones", dice Klaus Kern, Director del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido.
Además, la técnica no solo permite a los investigadores seguir el camino de los electrones a través de los procesadores y chips del futuro, sino que también puede llevar a una aceleración dramática de los portadores de carga: "En los ordenadores actuales, los electrones oscilan a una frecuencia de mil millones de hertzios", dice Klaus Kern. "Usando pulsos de luz ultracortos, puede ser posible aumentar su frecuencia a un trillón de hertzios." Con este turbo de refuerzo para las ondas de luz, los investigadores podrían despejar el camino para la electrónica de las ondas de luz, que es millones de veces más rápida que las computadoras actuales. Por lo tanto, el microscopio ultrarrápido no sólo filma procesos en el mundo cuántico, sino que también actúa como el Director al interferir con estos procesos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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