Un nuevo método mide la posición tridimensional de átomos individuales
El método desarrollado en las Universidades de Bonn y Bristol utiliza un ingenioso principio físico
Desde hace más de una década, los físicos pueden medir con exactitud la ubicación de átomos individuales con una precisión inferior a una milésima de milímetro utilizando un tipo especial de microscopio. Sin embargo, hasta ahora este método sólo ha proporcionado las coordenadas x e y. Se carece de información sobre la posición vertical del átomo, es decir, la distancia entre el átomo y el objetivo del microscopio. Ahora se ha desarrollado un nuevo método que puede determinar las tres coordenadas espaciales de un átomo con una sola imagen. Este método -desarrollado por la Universidad de Bonn y la Universidad de Bristol- se basa en un ingenioso principio físico. El estudio se ha publicado recientemente en la revista especializada Physical Review A.
Cualquiera que haya utilizado un microscopio en clase de biología para estudiar una célula vegetal recordará probablemente una situación similar. Es fácil saber que un determinado cloroplasto está situado encima y a la derecha del núcleo. Pero, ¿están ambos situados en el mismo plano? Sin embargo, una vez que se ajusta el enfoque del microscopio, se observa que la imagen del núcleo se vuelve más nítida, mientras que la imagen del cloroplasto se difumina. Uno de ellos debe estar un poco más alto y el otro un poco más bajo que el otro. Sin embargo, este método no puede darnos detalles precisos sobre sus posiciones verticales.
El principio es muy similar si se quieren observar átomos individuales en lugar de células. Para ello puede utilizarse la llamada microscopía cuántica de gases. Permite determinar directamente las coordenadas x e y de un átomo. Sin embargo, es mucho más difícil medir su coordenada z, es decir, la distancia a la lente del objetivo: Para saber en qué plano se encuentra el átomo, hay que tomar múltiples imágenes en las que el foco se desplaza por varios planos diferentes. Se trata de un proceso complejo y laborioso.
Convertir motas redondas en mancuernas
"Ahora hemos desarrollado un método que permite realizar este proceso en un solo paso", explica Tangi Legrand, del Instituto de Física Aplicada (IAP) de la Universidad de Bonn. "Para lograrlo, utilizamos un efecto que ya se conocía en teoría desde los años 90, pero que aún no se había utilizado en un microscopio cuántico de gas".
Para experimentar con los átomos, primero es necesario enfriarlos considerablemente, de modo que apenas se muevan. Después, es posible, por ejemplo, atraparlos en una onda estacionaria de luz láser. De este modo, se deslizan por los huecos de la onda, como los huevos en una huevera. Una vez atrapadas, para revelar su posición, se las expone a otro rayo láser, que las estimula a emitir luz. La fluorescencia resultante aparece en el microscopio de gas cuántico como una mancha redonda ligeramente borrosa.
"Ahora hemos desarrollado un método especial para deformar el frente de onda de la luz emitida por el átomo", explica el Dr. Andrea Alberti. El investigador, que ahora se ha trasladado del IAP al Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Garching, también participó en el estudio. "En lugar de las típicas motas redondas, el frente de onda deformado produce una forma de mancuerna en la cámara que gira sobre sí misma. La dirección en la que apunta esta mancuerna depende de la distancia que ha tenido que recorrer la luz desde el átomo hasta la cámara".
"De este modo, la mancuerna actúa un poco como la aguja de una brújula, permitiéndonos leer la coordenada z en función de su orientación", explica el Prof. Dr. Dieter Meschede. El investigador del IAP, cuyo grupo de investigación llevó a cabo el estudio, también es miembro del área de investigación transdisciplinar "Materia" de la Universidad de Bonn.
Importante para los experimentos de mecánica cuántica
El nuevo método permite determinar con precisión la posición de un átomo en tres dimensiones con una sola imagen. Esto es importante, por ejemplo, si se quieren realizar experimentos de mecánica cuántica con átomos, ya que a menudo es esencial poder controlar o seguir con precisión su posición. Esto permite a los investigadores hacer que los átomos interactúen entre sí de la forma deseada.
Además, el método también podría utilizarse para ayudar a desarrollar nuevos materiales cuánticos con características especiales. "Por ejemplo, podríamos investigar qué efectos mecánicos cuánticos se producen cuando los átomos se disponen en un orden determinado", explica la Dra. Carrie Weidner, de la Universidad de Bristol. "Esto nos permitiría simular hasta cierto punto las propiedades de los materiales tridimensionales sin tener que sintetizarlos".
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