27 Feb El Instituto Weizmann desarrolló un revolucionario microscopio cuántico de torsion

Una inteligente aproximación a la ciencia de la «twistrónica» ofrece nuevas formas de explorar los fenómenos cuánticos.

Foto virtual del experimento en cuestión. Foto: Gizel Maimon/Instituto Weizmann

Uno de los aspectos más sorprendentes del mundo cuántico es que una partícula, por ejemplo un electrón, es también una onda, lo que significa que existe en muchos lugares al mismo tiempo.

En un nuevo estudio, publicado hoy en Nature, investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias aprovechan esta propiedad para desarrollar un nuevo tipo de herramienta -el microscopio cuántico de torsión (QTM)- que puede crear nuevos materiales cuánticos y, al mismo tiempo, observar la naturaleza cuántica más fundamental de sus electrones. Los hallazgos del estudio pueden servir para crear materiales electrónicos con funcionalidades sin precedentes.

El QTM consiste en la «torsión» o rotación de dos capas de material atómicamente finas una respecto a la otra. En los últimos años, esta torsión se ha convertido en una fuente importante de descubrimientos. Comenzó con el descubrimiento de que colocar dos capas de grafeno, láminas cristalinas de carbono de un átomo de grosor, una encima de la otra con un ligero ángulo de torsión relativo, da lugar a un «sándwich» con propiedades nuevas e inesperadas.

El ángulo de torsión resultó ser el parámetro más crítico para controlar el comportamiento de los electrones: cambiarlo sólo una décima de grado podría transformar el material de un superconductor exótico en un aislante no convencional. Pero, por muy crítico que sea, este parámetro es también el más difícil de controlar en los experimentos. En general, retorcer dos capas hasta un nuevo ángulo requiere construir un nuevo “sandwich” desde cero, un proceso que es muy largo y tedioso.

“Nuestra motivación original era resolver este problema construyendo una máquina que pudiera retorcer continuamente dos materiales cualesquiera uno respecto del otro, produciendo fácilmente una gama infinita de nuevos materiales”, explica el jefe del equipo, el profesor Shahal Ilani, del Departamento de Física de la Materia Condensada de Weizmann. “Sin embargo, mientras construíamos esta máquina, descubrimos que también puede convertirse en un microscopio muy potente, capaz de ver ondas electrónicas cuánticas de formas antes inimaginables”.

Crear una imagen cuántica

Las imágenes han desempeñado durante mucho tiempo un papel fundamental en los descubrimientos científicos. Los microscopios ópticos y los telescopios proporcionan imágenes que permiten a los científicos comprender mejor los sistemas biológicos y astrofísicos. Sin embargo, durante muchos años ha sido muy difícil obtener imágenes de los electrones en el interior de los materiales, debido a sus reducidas dimensiones. Esto cambió hace unos 40 años con la invención del microscopio de barrido en túnel, cuyos creadores recibieron el Premio Nobel de Física en 1986. Este microscopio utiliza una aguja atómicamente afilada para escanear la superficie de un material, midiendo la corriente eléctrica y construyendo gradualmente una imagen de la distribución de electrones en la muestra.

“Desde esta invención se han desarrollado muchas sondas de barrido diferentes, cada una de las cuales mide una propiedad electrónica distinta, pero todas ellas miden estas propiedades en un lugar cada vez. Por tanto, en su mayoría ven a los electrones como partículas y sólo pueden conocer indirectamente su naturaleza ondulatoria”, explica el profesor Ady Stern, del Instituto Weizmann, que participó en el estudio junto con otros tres físicos teóricos del mismo departamento: Profs. Binghai Yan, Yuval Oreg y Erez Berg. “Resultó que la herramienta que hemos construido puede visualizar las ondas electrónicas cuánticas directamente, lo que nos da una forma de desentrañar los bailes cuánticos que realizan dentro del material”, afirma Stern.

Detectar un electrón en varios lugares a la vez

“El truco para ver las ondas cuánticas consiste en detectar el mismo electrón en distintos lugares al mismo tiempo”, explica Alon Inbar, autor principal del artículo. “La medición es conceptualmente similar al famoso experimento de las dos rendijas, que se utilizó hace un siglo para demostrar por primera vez que los electrones en mecánica cuántica tienen naturaleza ondulatoria”, añade el Dr. John Birkbeck, otro de los autores principales. “La única diferencia es que nosotros realizamos dicho experimento en la punta de nuestro microscopio de barrido”.

Para lograrlo, los investigadores sustituyeron la punta atómicamente afilada del microscopio de barrido en túnel por una punta que contiene una capa plana de un material cuántico, como una sola capa de grafeno. Cuando esta capa se pone en contacto con la superficie de la muestra de interés, forma una interfaz bidimensional a través de la cual los electrones pueden hacer un túnel en muchos lugares diferentes. Desde el punto de vista de la mecánica cuántica, se produce un túnel en todos los lugares simultáneamente, y los eventos de túnel en diferentes lugares interfieren entre sí.

Esta interferencia sólo permite que un electrón haga un túnel si sus funciones de onda a ambos lados de la interfaz coinciden exactamente. «Para ver un electrón cuántico, tenemos que ser amables», dice Ilani. “Si no le hacemos la grosera pregunta “¿Dónde estás?”, sino que le proporcionamos múltiples rutas para cruzar a nuestro detector sin que sepamos por dónde ha cruzado realmente, le permitimos preservar su frágil naturaleza ondulatoria”.

Torsión y túnel

Generalmente, las ondas electrónicas de la punta y de la muestra se propagan en direcciones diferentes y, por tanto, no coinciden. El QTM utiliza su capacidad de torsión para encontrar el ángulo en el que se produce la coincidencia: al girar continuamente la punta con respecto a la muestra, la herramienta hace que sus correspondientes funciones de onda también se giren entre sí. Una vez que estas funciones de onda coinciden a ambos lados de la interfaz, puede producirse la tunelización.

La torsión, por tanto, permite al QTM cartografiar cómo la función de onda electrónica depende del momento, de forma similar a como las traslaciones laterales de la punta permiten cartografiar su dependencia de la posición. El mero hecho de saber en qué ángulos cruzan los electrones la interfaz proporciona a los investigadores una gran cantidad de información sobre el material sondeado. De este modo, pueden conocer la organización colectiva de los electrones dentro de la muestra, su velocidad, la distribución de la energía, los patrones de interferencia e incluso las interacciones de las distintas ondas entre sí.

Una nueva vuelta de tuerca a los materiales cuánticos

“Nuestro microscopio proporcionará a los científicos un nuevo tipo de ‘lente’ para observar y medir las propiedades de los materiales cuánticos”, afirma Jiewen Xiao, otro de los autores principales. El equipo de Weizmann ya ha aplicado su microscopio al estudio de las propiedades de varios materiales cuánticos clave a temperatura ambiente y ahora se está preparando para realizar nuevos experimentos a temperaturas de unos pocos grados, donde se sabe que tienen lugar algunos de los efectos mecánicos cuánticos más interesantes.

Asomarse tan profundamente al mundo cuántico puede ayudar a revelar verdades fundamentales sobre la naturaleza. En el futuro, también podría tener un enorme efecto en las tecnologías emergentes. El QTM proporcionará a los investigadores acceso a un espectro sin precedentes de nuevas interfaces cuánticas, así como nuevos «ojos» para descubrir fenómenos cuánticos en su interior.

Fuente: Aurora Digital
https://aurora-israel.co.il/instituto-weizmann-el-microscopio-cuantico-de-torsion-una-nueva-lente-para-los-materiales-cuanticos/