Los científicos están trabajando duro para diseñar las propiedades de las nanoestructuras, como átomos y moléculas, para realizar dispositivos lógicos eficientes que puedan operar a la escala fundamental de la materia:la escala de los átomos. Para hacer posible la "ingeniería" a esa escala, los investigadores deben poder observar la estructura interna de un átomo, la llamada estructura orbital, donde los electrones están confinados en una serie de capas.

En un estudio publicado esta semana en ACS Nano , La investigación liderada por QNS logró un resultado sin precedentes:identificar cómo se distribuyen los electrones entre los orbitales de átomos y nanoestructuras. Usando generadores de rayos X de primera categoría, llamados sincrotrones, ubicado en España, Suiza, y Corea, el equipo identificó un método para distinguir las propiedades de sus electrones en función de su orbital.

"No estábamos seguros de que pudiéramos tener la sensibilidad suficiente para sondear todos estos orbitales atómicos individualmente en estructuras tan pequeñas", dice el profesor Fabio Donati, el investigador principal de QNS. "Este resultado demostró una nueva forma de revelar el comportamiento de estos átomos y posiblemente guiar la ingeniería de sus propiedades para realizar futuros dispositivos a escala atómica".

Para este estudio, los investigadores se centraron en los elementos lantánidos, la fila adicional en la parte inferior de la tabla periódica. Estos elementos se investigan actualmente como posibles imanes a escala atómica para realizar bits clásicos o cuánticos para futuros dispositivos de almacenamiento de memoria y lógica. Poder utilizarlos para este propósito podría permitir que la tecnología funcione a la escala más pequeña disponible, ofreciendo un enorme potencial en términos de miniaturización.

Una característica única de estos elementos es que sus electrones más importantes, a saber, los que proporcionan la mayor parte de la magnetización del átomo, están localizados en orbitales específicos (llamados 4f) que están ocultos en el interior de los átomos. Por lo tanto, es difícil usar una corriente eléctrica para sentirlos, lo que podría crear desafíos para su integración en dispositivos electrónicos.

Los científicos están tratando de establecer si los electrones de más externos, y eléctricamente accesible, los orbitales se pueden usar como un canal de lectura en lugar de los electrones más ocultos. "Necesitábamos encontrar una técnica que pudiera medir los electrones en estos átomos, literalmente orbital por orbital, para descubrir la forma en que cooperan y contribuyen a las propiedades magnéticas del átomo ", dice el Dr. Aparajita Singha, quien comenzó la investigación como un postdoctorado en QNS y ahora dirige un grupo en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido.

El experimento se realizó utilizando temperaturas muy bajas (-270 C) para mantener los átomos de lantánidos "congelados" en su sustrato de soporte. que es una película de óxido de magnesio. Era necesario utilizar campos magnéticos muy altos:100, 000 veces más fuerte que el campo magnético terrestre, para magnetizar los átomos de lantánidos y medir las propiedades de sus electrones. Los investigadores usaron los rayos X para golpear electrones muy cerca del núcleo y excitarlos hacia los orbitales objetivo que querían sentir. "Aunque se sabía que este enfoque funcionaba para cristales compuestos por una gran colección de átomos, Si los orbitales individuales podrían medirse en átomos aislados era una gran cuestión abierta ", afirmó Donati." Puede imaginarse lo emocionante que fue ver los primeros datos que aparecían en la pantalla durante las mediciones. Solo entonces nos dimos cuenta de que no había ninguna teoría preparada para explicar nuestros resultados. Todavía quedaba mucho trabajo por hacer ".

En comparación con la fase de recopilación de datos, que requirió solo unas pocas semanas de mediciones, el análisis y el desarrollo de un modelo interpretativo mantuvieron ocupados a los científicos durante varios meses. Usando esta combinación de teoría del final del experimento, los investigadores pudieron identificar cómo se distribuían los electrones entre los orbitales atómicos. "Creemos que conocer la estructura de estos átomos, orbital por orbital, proporcionará nuevas direcciones para diseñar las propiedades de los dispositivos futuros, como las computadoras cuánticas y los discos duros magnéticos ultradensos ”, concluyó Donati.