Microscopía cuántica revolucionaria: Científicos de Stuttgart captan electrones en cámara lenta

“Con el método que desarrollamos, podemos hacer visibles cosas que nadie ha visto antes”, dice el Prof. Sebastian Loth, Director Gerente 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 sólidos que han estado sin respuesta desde la década de 1980”. Sin embargo, los hallazgos del grupo de Loth también tienen una gran importancia práctica para el desarrollo de nuevos materiales.

Pequeños cambios con consecuencias macroscópicas

En metales, aisladores y semiconductores, el mundo físico es simple. Si cambias unos pocos átomos a nivel atómico, las propiedades macroscópicas permanecen sin cambios. Por ejemplo, los metales modificados de esta manera siguen siendo conductores de la electricidad, mientras que los aisladores no lo son. Sin embargo, la situación es diferente en los materiales más avanzados, que solo se pueden producir en el laboratorio: los cambios mínimos a nivel atómico provocan un nuevo comportamiento macroscópico. Por ejemplo, algunos de estos materiales cambian repentinamente de aisladores a superconductores, es decir, conducen la electricidad sin pérdida de calor. Estos cambios pueden ocurrir extremadamente rápido, en picosegundos, ya que influyen directamente en el movimiento de los electrones a través del material a escala atómica. Un picosegundo es extremadamente corto, solo una billonésima de segundo. Está en la misma proporción con el parpadeo de un ojo como el parpadeo de un ojo está con un período de más de 3000 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 estos pequeños cambios a nivel atómico. Específicamente, los científicos estudiaron un material que consiste en los elementos niobio y selenio en el que se puede observar un efecto de manera relativamente inalterada: 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 este propósito, los investigadores de Stuttgart aplican un pulso eléctrico extremadamente corto, que dura solo un picosegundo, al material. 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 altamente complejo en el material durante un breve período de tiempo. Un trabajo preliminar importante para los resultados ahora presentados se realizó en el Instituto Max Planck de Investigación de Materiales Sólidos (MPI FKF) en Stuttgart y en el Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) en Hamburgo, donde Loth había estado realizando investigaciones antes de su nombramiento en la Universidad de Stuttgart.

Desarrollar materiales con propiedades deseadas

“Si podemos entender cómo se detiene el movimiento del colectivo de electrones, entonces también podemos desarrollar materiales con las propiedades deseadas de una manera más específica”, explica Loth el potencial de los resultados. O para decirlo de otra manera: como no existen 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”, dice Loth, describiendo la importancia de los hallazgos 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, puedes lograr una alta resolución espacial o una alta resolución temporal”. Para que el nuevo microscopio de Stuttgart logre ambos, el físico y su equipo combinan un microscopio de efecto túnel de barrido, que resuelve los materiales a nivel atómico, con un método de espectroscopia ultrarrápido conocido como espectroscopia de bombeo-sonda.

Para realizar las mediciones necesarias, la configuración del laboratorio debe estar extremadamente bien blindada. Las vibraciones, el ruido y el movimiento del aire son perjudiciales, al igual que las fluctuaciones en la temperatura ambiente y la humedad. “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 pudieron optimizar su microscopio de tal manera que repite el experimento 41 millones de veces por segundo y, por lo tanto, logra una calidad de señal particularmente alta. “Solo nosotros hemos logrado hacer esto hasta ahora”, dice Loth.

Sobre el Prof. Sebastian Loth

El físico Sebastian Loth (45) ha liderado el grupo de investigación “Física a escala atómica” en el Instituto de Materia Funcional y Tecnologías Cuánticas (FMQ) de la Universidad de Stuttgart desde 2017. Actualmente también es director gerente del instituto. Después de completar sus estudios de doctorado en la Universidad Georg August de Göttingen en 2007, Loth pasó tres años y medio como becario Feodor Lynen de la fundación Alexander von Humboldt en el IBM Almaden Research Center en San José, EE. UU. Desde 2011 hasta su nombramiento como profesor en la Universidad de Stuttgart, dirigió un grupo de investigación Max Planck en el Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia en Hamburgo. En septiembre de 2015, fue galardonado con una ERC Starting Grant.