(Noticias Nanwork) Físicos de la Universidad de Stuttgart, bajo la dirección del profesor Sebastian Loth, están desarrollando un microscopio cuántico que les permite registrar por primera vez el movimiento de los electrones a nivel atómico con una resolución espacial y temporal extremadamente alta. Su método tiene el potencial de permitir a los científicos desarrollar materiales de una manera más específica que antes.
Los investigadores publicaron sus resultados en la revista. Física de la naturaleza (“Espectroscopia de terahercios de la dinámica de ondas de densidad de carga colectiva a escala atómica”).
«Gracias al método que hemos desarrollado podemos hacer visibles cosas que nadie había visto antes», afirma el profesor Sebastian Loth, director general del Instituto de Materiales Funcionales y Tecnologías Cuánticas (FMQ) de la Universidad de Stuttgart. posible resolver cuestiones sobre el movimiento de los electrones en materiales sólidos que seguían siendo desconocidas.” Respuesta de los años 1980. Sin embargo, los hallazgos del grupo de Loth también tienen una importancia muy práctica para el desarrollo de nuevos materiales.
Pequeños cambios tienen grandes consecuencias
En metales, aislantes y semiconductores, el mundo físico es simple. Si cambias sólo unos pocos átomos a nivel atómico, las propiedades macroscópicas permanecen sin cambios. Por ejemplo, los metales modificados de esta manera siguen siendo conductores de electricidad, mientras que los aislantes no.
Pero la situación es diferente en materiales más avanzados, que sólo pueden producirse en el laboratorio: cambios sutiles a nivel atómico provocan nuevos comportamientos a nivel macroscópico. Por ejemplo, algunos de estos materiales cambian repentinamente de aislantes a superconductores, es decir, conducen la electricidad sin perder calor. Estos cambios pueden ocurrir muy rápidamente, en picosegundos, porque afectan el movimiento de los electrones a través del material directamente a nivel atómico. Un picosegundo es muy corto, apenas una billonésima de segundo. Es la misma proporción entre un abrir y cerrar de ojos que entre un abrir y cerrar de ojos y un período de más de 3000 años.
Grabación del movimiento del grupo electrónico.
El equipo de Loth ha encontrado ahora una manera de observar el comportamiento de estos materiales durante cambios tan pequeños a nivel atómico. En concreto, los científicos estudiaron un material compuesto de los elementos niobio y selenio en el que se puede observar un efecto relativamente imperturbable: el movimiento colectivo de electrones en una onda de densidad de carga.
Loth y su equipo investigaron cómo una sola impureza podría detener este movimiento masivo. Para ello, los investigadores de Stuttgart aplicaron al material un impulso eléctrico extremadamente corto, de sólo un picosegundo de duración. Una onda de densidad de carga se comprime sobre la impureza y envía deformaciones de tamaño nanométrico al conjunto electrónico, provocando un movimiento electrónico altamente complejo en el material durante un breve período.
Un importante trabajo preliminar a los resultados ahora presentados se llevó a cabo en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido (MPI FKF) en Stuttgart y en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) en Hamburgo, donde Loth había estado investigando antes de su nombramiento. en la Universidad de Stuttgart.
Desarrollar materiales con las propiedades deseadas.
«Si podemos entender cómo detener el movimiento del ensamblaje de electrones, también podremos desarrollar materiales con propiedades deseables de una manera más específica», explica Loth sobre el potencial de los hallazgos. O en otras palabras: dado que no existen materiales perfectos sin impurezas, el método de microscopía desarrollado ayuda a comprender cómo se organizan las impurezas para lograr 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. Este efecto podría aprovecharse, por ejemplo, en materiales ultrarrápidos en futuros sensores o componentes electrónicos.
Un experimento repetido 41 millones de veces por segundo
«Existen métodos bien establecidos para visualizar átomos individuales o sus movimientos, pero con estos métodos se puede lograr una alta resolución espacial o una alta resolución temporal», explica Loth. Para que el nuevo microscopio de Stuttgart pueda hacer ambas cosas, el físico y su equipo combinan un microscopio de efecto túnel, que analiza materiales a nivel atómico, con un método de espectroscopia ultrarrápida conocida como espectroscopia de bomba y sonda.
Para realizar las mediciones necesarias, la instalación del laboratorio debe estar muy bien protegida. 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 estamos midiendo señales muy débiles que fácilmente se pierden en el ruido de fondo», señala Loth. Además, el equipo tiene que repetir estas mediciones con frecuencia para obtener resultados significativos. Los investigadores pudieron mejorar su microscopio de tal manera que pudiera repetir el experimento 41 millones de veces por segundo y así lograr una calidad de señal particularmente alta. “Hasta ahora sólo hemos podido hacerlo”, afirma Luth.