Gran avance en microscopía cuántica
Los investigadores hacen visibles los electrones a cámara lenta
Físicos de la Universidad de Stuttgart dirigidos por el profesor Sebastian Loth están desarrollando una microscopía cuántica que permite por primera vez registrar el movimiento de los electrones a nivel atómico con una resolución espacial y temporal extremadamente alta. Su método puede permitir a los científicos desarrollar materiales de una forma mucho más específica que hasta ahora. Los investigadores han publicado sus resultados en la prestigiosa revista "Nature Physics".
"Con el método que hemos desarrollado, podemos hacer visibles cosas que nadie había visto antes", afirma el profesor Sebastian Loth, director del Instituto de Materia Funcional y Tecnologías Cuánticas (FMQ) de la Universidad de Stuttgart. "Esto permite resolver cuestiones sobre el movimiento de los electrones en los sólidos que llevan sin respuesta desde la década de 1980". Sin embargo, los hallazgos del grupo de Loth también tienen una importancia muy práctica para el desarrollo de nuevos materiales.
Cambios minúsculos con consecuencias macroscópicas
En los metales, aislantes y semiconductores, el mundo físico es sencillo. Si se cambian unos pocos átomos a nivel atómico, las propiedades macroscópicas permanecen inalteradas. Por ejemplo, los metales modificados de este modo siguen siendo conductores de la electricidad, mientras que los aislantes no lo son. Sin embargo, la situación es diferente en materiales más avanzados, que sólo pueden fabricarse en el laboratorio: Cambios mínimos a nivel atómico provocan nuevos comportamientos macroscópicos. Por ejemplo, algunos de estos materiales pasan repentinamente de aislantes a superconductores, es decir, conducen la electricidad sin pérdida de calor. Estos cambios pueden producirse con extrema rapidez, en picosegundos, ya que influyen en el movimiento de los electrones a través del material directamente a escala atómica. Un picosegundo es extremadamente corto, apenas una trillonésima de segundo. Guarda la misma proporción con el parpadeo de un ojo que éste con un periodo de más de 3.000 años.
Registrar el movimiento del colectivo de electrones
El grupo de trabajo de Loth ha encontrado ahora una forma de observar el comportamiento de estos materiales durante esos pequeños cambios a nivel atómico. En concreto, los científicos estudiaron un material formado por los elementos niobio y selenio en el que se puede observar un efecto de forma relativamente imperturbable: el movimiento colectivo de los electrones en una onda de densidad de carga. Loth y su equipo investigaron cómo una sola impureza puede detener este movimiento colectivo. Para ello, los investigadores de Stuttgart aplican al material un pulso eléctrico extremadamente corto, de apenas un picosegundo de duración. La onda de densidad de carga se presiona contra la impureza y envía distorsiones de tamaño nanométrico al colectivo de electrones, lo que provoca un movimiento de electrones muy complejo en el material durante un breve espacio de tiempo. El Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido (MPI FKF) de Stuttgart y el Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) de Hamburgo, donde Loth había estado investigando antes de ser nombrado profesor de la Universidad de Stuttgart, realizaron importantes trabajos preliminares para los resultados que ahora se presentan.
Desarrollar materiales con las propiedades deseadas
"Si podemos entender cómo se detiene el movimiento del colectivo de electrones, también podremos desarrollar materiales con las propiedades deseadas de una manera más específica", explica Loth el potencial de los resultados. O dicho de otro modo: Como no hay materiales perfectos sin impurezas, el método de microscopía desarrollado ayuda a comprender cómo deben disponerse las impurezas para conseguir el efecto técnico deseado. "El diseño a nivel atómico tiene un impacto directo en las propiedades macroscópicas del material", afirma Loth, describiendo la importancia de los resultados de la investigación. El efecto podría utilizarse, por ejemplo, para materiales de conmutación ultrarrápida en futuros sensores o componentes electrónicos.
Un experimento repetido 41 millones de veces por segundo
"Existen métodos establecidos para visualizar átomos individuales o sus movimientos", explica Loth. "Pero con estos métodos, o se consigue una alta resolución espacial o una alta resolución temporal". Para que el nuevo microscopio de Stuttgart consiga ambas cosas, el físico y su equipo combinan un microscopio de barrido en túnel, que resuelve los materiales a nivel atómico, con un método de espectroscopia ultrarrápida conocido como espectroscopia de sonda de bombeo.
Para realizar las mediciones necesarias, el laboratorio debe estar muy bien protegido. Las vibraciones, el ruido y el movimiento del aire son perjudiciales, al igual que las fluctuaciones de la temperatura y la humedad ambiente. "Esto se debe a que medimos señales extremadamente débiles que, de otro modo, se pierden fácilmente en el ruido de fondo", señala Loth. Además, el equipo tiene que repetir estas mediciones muy a menudo para obtener resultados significativos. Los investigadores lograron optimizar su microscopio de tal forma que repite el experimento 41 millones de veces por segundo y consigue así una calidad de señal especialmente alta. "Sólo nosotros lo hemos conseguido hasta ahora", afirma Loth.
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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