Físicos de la Universidad de Stuttgart, dirigidos por el profesor Sebastian Loth, están desarrollando una microscopía cuántica 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 producir materiales de una manera más específica que nunca. Los investigadores han publicado sus hallazgos en la revista. Física de la naturaleza.
“Con el método que hemos desarrollado podemos hacer visibles cosas que nadie había visto antes”, afirma el profesor Sebastian Luth, director general 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 estaban sin respuesta desde los años 80”. Sin embargo, los resultados del grupo de Loth también tienen una gran importancia práctica para el desarrollo de nuevos materiales.
Pequeños cambios con consecuencias macroscópicas
En metales, aislantes y semiconductores, el mundo físico es simple. Si cambia algunos 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 lo son. Sin embargo, la situación es diferente en materiales más avanzados, que sólo pueden producirse en el laboratorio: cambios mínimos a nivel atómico provocan un nuevo comportamiento macroscópico. Por ejemplo, algunos de estos materiales cambian repentinamente de aislantes a superconductores, lo que significa que conducen electricidad sin pérdida de calor. Estos cambios pueden ocurrir muy rápidamente, en picosegundos, porque afectan directamente el movimiento de los electrones a través del material a escala atómica. Un picosegundo es extremadamente corto, apenas una billonésima de segundo. Esto es proporcional a un abrir y cerrar de ojos, ya que un abrir y cerrar de ojos abarca más de 3000 años.
Registrar el movimiento de grupos de electrones.
El grupo de trabajo de Loth ha encontrado ahora una manera de observar el comportamiento de estos materiales durante cambios tan pequeños a nivel atómico. En particular, los científicos estudiaron un material que contiene los elementos niobio y selenio, en el que se puede observar un efecto relativamente discreto: el movimiento colectivo de electrones en una onda de densidad de carga. Luth y su equipo investigaron cómo una impureza puede inhibir este movimiento colectivo. Para ello, los investigadores de Stuttgart aplican al material un impulso eléctrico extremadamente corto, que dura tan solo un picosegundo. La onda de densidad de carga se presiona contra la impureza y envía distorsiones de tamaño nanométrico al conjunto de electrones, provocando un movimiento de electrones altamente complejo en el material durante cortos períodos de tiempo. Un importante trabajo preliminar para los resultados presentados ahora 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 estaba realizando investigaciones. eran Antes de ser destinado a la Universidad de Stuttgart.
Desarrollar materiales con las propiedades deseadas.
“Si podemos entender cómo se restringe la movilidad del grupo de electrones, también podremos producir materiales con las propiedades deseadas”, explica Luth sobre el potencial de los hallazgos. O dicho de otra manera: dado que no existe un material perfecto sin impurezas, el método de microscopía desarrollado ayuda a comprender cómo deben disponerse las impurezas para lograr el efecto técnico deseado. “El diseño a nivel atómico tiene un impacto directo en las propiedades macroscópicas del material”, explica Loth sobre la importancia de los resultados de la investigación. Este efecto podría utilizarse, por ejemplo, para la conmutación ultrarrápida de materiales en futuros sensores o componentes electrónicos.
Un experimento se repitió 41 millones de veces por segundo.
“Existen métodos establecidos para observar átomos individuales o sus movimientos”, explica Luth. “Pero con estos métodos, se puede obtener una alta resolución espacial o una alta resolución espacial”. Para que el nuevo microscopio de Stuttgart lograra ambas cosas, el físico y su equipo combinaron un microscopio de efecto túnel, que resuelve materiales a nivel atómico, con un método de espectroscopia ultrarrápida llamada espectroscopia de sonda de bomba.
Para poder realizar las mediciones necesarias, la instalación del laboratorio debe estar muy bien asegurada. 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 muy débiles que, de otro modo, se perderían fácilmente en el ruido de fondo”, explica Luth. Además, el equipo tiene que repetir estas mediciones con frecuencia para obtener resultados significativos. Los investigadores pudieron optimizar su microscopio para que pudiera repetir el experimento 41 millones de veces por segundo, logrando así una calidad de señal excepcionalmente alta. “Hasta ahora sólo hemos podido hacer eso”, afirma Luth.
Sobre el profesor Sebastián Loth
El físico Sebastian Luth (45) dirige desde 2017 el grupo de investigación “Física a escala atómica” en el Instituto de Materia Funcional y Tecnologías Cuánticas (FMQ) de la Universidad de Stuttgart. Actualmente también es el director general del instituto. Después de completar sus estudios de doctorado en la Universidad Georg-August de Göttingen en 2007, Luth pasó tres años y medio como becario Fyodor Lenin de la Fundación Alexander von Humboldt en el Centro de Investigación IBM Almaden en San José, EE. UU. Desde 2011 hasta su nombramiento como profesor en la Universidad de Stuttgart, dirigió el Grupo de Investigación Max Planck en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Hamburgo. En septiembre de 2015, recibió una Beca Inicial del ERC.
