El distanciamiento social en la nanoescala
Nuevo concepto de nanoscopia sin contacto
Un equipo de físicos de Alemania, EE.UU. y el Reino Unido ha conseguido observar el movimiento de los electrones desde una capa atómicamente fina a otra adyacente con una resolución espacial a escala nanométrica. El nuevo concepto de nanoscopia sin contacto, que muestra un gran potencial para la investigación de materiales conductores, no conductores y superconductores, se presentará en el nuevo volumen de la revista científica Nature Photonics.
Excitones entre capas (elipsoides brillantes), que pueden formarse después de que los electrones y los agujeros (esferas rojas y azules) se separen entre capas atómicamente finas y ópticamente excitadas (hoja superior e inferior).
©Markus Plankl (2021)
La nanotecnología a veces sigue sonando a ciencia ficción, pero ya es parte integrante de la electrónica moderna en nuestros ordenadores, teléfonos inteligentes o coches. El tamaño de los componentes electrónicos, como los transistores o los diodos, ha alcanzado la nanoescala, que corresponde a sólo una millonésima parte de un milímetro. Esto hace que los microscopios ópticos convencionales ya no sean suficientes para inspeccionar estas nanoestructuras. Para desarrollar una nanotecnología innovadora en el futuro, los científicos han sustituido el microscopio óptico por conceptos mucho más sofisticados, como la microscopía electrónica o de efecto túnel. Sin embargo, estas técnicas utilizan electrones en lugar de luz, lo que puede influir en las propiedades de los dispositivos a nanoescala. Además, estas importantes técnicas de medición se limitan a muestras conductoras de la electricidad.
Un equipo de físicos en torno a Rupert Huber y Jaroslav Fabian, del Centro de Nanoscopia Ultrarrápida (RUN) de la Universidad de Ratisbona, junto con sus colegas Tyler Cocker, de la Universidad Estatal de Michigan (EE.UU.), y Jessica Boland, de la Universidad de Manchester (Reino Unido), han introducido una nueva técnica que permite resolver el movimiento de los electrones a nanoescala sin necesidad de que haya contacto eléctrico. Y lo que es aún mejor, el nuevo método alcanza una increíble resolución temporal de hasta una cuatrillonésima de segundo (la escala de tiempo del femtosegundo). La combinación de estas resoluciones espaciales y temporales extremas hace posible la grabación de películas a cámara lenta de la dinámica ultrarrápida de los electrones en la nanoescala.
El concepto que subyace a la técnica funciona de forma similar al pago sin contacto (tarjeta chip, teléfono, escáner), que se ha convertido en un componente cada vez más común en nuestras vidas desde el inicio de la pandemia. Estos métodos de pago se basan en frecuencias y protocolos establecidos a gran escala, como la comunicación de campo cercano (NFC). Aquí, los científicos trasladaron esta idea a la nanoescala utilizando una punta metálica afilada como nanoantena, que se acerca a la muestra investigada. A diferencia de las técnicas ya mencionadas, en las que las puntas se utilizan para conducir una corriente a través de la muestra, el nuevo concepto utiliza un débil campo eléctrico alterno para escanear la muestra sin contacto. La frecuencia utilizada en los experimentos se eleva al rango espectral de los terahercios, aproximadamente 100.000 veces superior a la utilizada en los escáneres NFC. Los minúsculos cambios en estos débiles campos eléctricos permiten obtener conclusiones precisas sobre el movimiento local de los electrones dentro del material. La combinación de las mediciones con una teoría cuántica realista demuestra que el concepto permite incluso obtener resultados cuantitativos. Para conseguir además una alta resolución temporal, los físicos utilizaron pulsos de luz extremadamente cortos para registrar instantáneas nítidas del movimiento de los electrones en distancias nanométricas.
El equipo eligió como primera muestra de ensayo una clase de material nuevo llamado dicalcogenuros de metales de transición, que puede producirse en capas atómicamente finas. Cuando estas láminas se apilan bajo ángulos libremente elegidos, surgen nuevos sólidos artificiales con propiedades materiales novedosas, que se investigan de forma destacada en el Centro de Investigación Colaborativa 1277 de Ratisbona. La muestra estudiada se fabricó a partir de dos dicalcogenuros atómicamente finos diferentes para probar la pieza central de una célula solar futurista. Al incidir la luz verde sobre la estructura, surgen portadores de carga que se mueven en una u otra dirección dependiendo de su polaridad: el principio básico de una célula solar, que convierte la luz en electricidad. Los científicos observaron la separación ultrarrápida de cargas tanto en el tiempo como en el espacio con una precisión nanométrica. Para su sorpresa, la separación de cargas funciona incluso de forma fiable cuando las capas de dicalcogenuro se extienden por encima de pequeñas impurezas, como una mini alfombra, lo que supone una información importante para optimizar estos nuevos materiales de cara a su futuro uso en células solares o chips informáticos.
Los investigadores están entusiasmados con los resultados obtenidos. "Estamos impacientes por grabar en vídeo otros fascinantes procesos de transferencia de carga en materiales aislantes, conductores y superconductores", explica Markus Plankl, primer autor de la publicación. Su colega posdoctoral y coautor, Thomas Siday, añade: "Los conocimientos sobre el transporte ultrarrápido en las escalas de longitud y tiempo pertinentes nos ayudarán a comprender cómo el tunelado da forma a las funcionalidades en una amplia gama de sistemas de materia condensada". Además de las nanoestructuras en física, ahora se puede acceder a los procesos cuánticos de los sistemas biológicos, que hasta ahora eran esquivos. Estos resultados reflejan el creciente interés de los investigadores de biología, química y física de la Universidad de Ratisbona por la nanoscopia ultrarrápida, lo que ha llevado a la aprobación del nuevo Centro de Nanoscopia Ultrarrápida de Ratisbona (RUN). El edificio RUN, que se está construyendo actualmente en el campus de la Universidad, debería proporcionar el entorno óptimo para esta exploración interdisciplinar del nanocosmos.
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.
Publicación original
M. Plankl, P. E. Faria Junior, F. Mooshammer, T. Siday, M. Zizlsperger, F. Sandner, F. Schiegl, S. Maier, M. A. Huber, M. Gmitra, J. Fabian, J. L. Boland, T. L. Cocker and R. Huber; "Subcycle contact-free nanoscopy of ultrafast interlayer transport in atomically thin heterostructures"; Nature Photonics; 2021
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