¿Qué pasaría si ya no fluyera una corriente eléctrica, pero goteó en su lugar? Esta fue la pregunta investigada por los investigadores que trabajan con Christian Ast en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido. Su investigación implicó enfriar su microscopio de barrido de túnel hasta una quince milésima de grado por encima del cero absoluto. A estas temperaturas extremadamente bajas, los electrones revelan su naturaleza cuántica. La corriente eléctrica es, por tanto, un medio granular, que consta de partículas individuales. Los electrones fluyen a través de un conductor como granos de arena en un reloj de arena, un fenómeno que se puede explicar con la ayuda de la electrodinámica cuántica.

El agua que fluye de un grifo se siente como un medio homogéneo:es imposible distinguir entre las moléculas de agua individuales. Exactamente lo mismo ocurre con la corriente eléctrica. Tantos electrones fluyen en un cable convencional que la corriente parece ser homogénea. Aunque no es posible distinguir electrones individuales, la mecánica cuántica dice que deberían existir. Entonces, ¿cómo se comportan? ¿En qué condiciones la corriente no fluye como agua a través de un grifo, sino que gotea como arena en un reloj de arena?

La analogía del reloj de arena es muy apropiada para el microscopio de túnel de barrido, donde un delgado, La punta puntiaguda escanea la superficie de una muestra sin tocarla. Una pequeña corriente fluye sin embargo, ya que existe una ligera probabilidad de que los electrones "hagan un túnel" desde la punta puntiaguda hacia la muestra. Esta corriente de túnel es una función exponencial de la separación, razón por la cual la punta puntiaguda se encuentra solo unos pocos Ångström (una diez millonésima parte de un milímetro) por encima de la muestra.

Las variaciones mínimas en la corriente de túnel permiten a los investigadores resolver átomos individuales y estructuras atómicas en superficies e investigar su estructura electrónica. Los microscopios de túnel de barrido son, por tanto, algunos de los detectores más versátiles y sensibles de toda la física del estado sólido.

Incluso en estas condiciones extremas, una pequeña corriente de menos de una mil millonésima parte de la corriente que fluye a través de una bombilla de 100 vatios, siguen fluyendo miles de millones de electrones por segundo. Esto es demasiado para discernir electrones individuales. La temperatura bajó alrededor de una quince milésima de grado por encima del cero absoluto (es decir, a menos 273.135 ° C o 15 mK) antes de que los científicos vieran que la corriente eléctrica consiste en electrones individuales.

A esta baja temperatura, estructuras muy finas, que los investigadores no esperaban, aparecen en el espectro. "Podríamos explicar estas nuevas estructuras solo asumiendo que la corriente de túnel es un medio granular y ya no es homogéneo, "dice Ast, quien encabeza el grupo que trabaja con el microscopio de efecto túnel. Por lo tanto, esta es la primera vez que se muestra la naturaleza cuántica completa del transporte electrónico en el microscopio de túnel de barrido.

Por lo tanto, la carga eléctrica también debe cuantificarse si se quiere explicar completamente este fenómeno de la mecánica cuántica. "La teoría en la que se basa esto se desarrolló a principios de la década de 1990. Ahora que se han resuelto los problemas conceptuales y prácticos relacionados con su aplicación a los microscopios de túnel de barrido, es bueno ver cómo la teoría y el experimento encajan consistentemente, "dice Joachim Ankerhold de la Universidad de Ulm, quien aportó la base teórica.

Además de una teoría detallada, Los experimentos de este tipo requieren un entorno de laboratorio adaptado que reduzca en gran medida las perturbaciones externas. Desde finales de 2012, se ha puesto en funcionamiento un nuevo laboratorio de precisión en el campus de los Institutos Max Planck de Stuttgart; Proporciona un entorno de laboratorio casi libre de perturbaciones para experimentos altamente sensibles como el microscopio de túnel de barrido mK.

El instrumento está ubicado en el laboratorio de precisión en una caja equipada con blindaje acústico y electromagnético sobre una base de hormigón desacoplada por vibraciones. "Queremos utilizarlo para aventurarnos en nuevos territorio desconocido, lo que hicimos con mucho éxito con este experimento, "dice Klaus Kern, Director del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido.

Los electrones ya han demostrado su naturaleza cuántica. A medida que se transportan a través de puntos cuánticos, por ejemplo, el flujo de corriente se bloquea específicamente para que los electrones aparezcan individualmente. Este efecto se hizo evidente en el microscopio de túnel de barrido simplemente enfriándolo a temperaturas extremadamente bajas, sin embargo. "El efecto túnel definitivamente ha alcanzado el límite cuántico aquí, "dice el miembro del equipo Berthold Jäck. Los investigadores no quieren ver esto como una limitación, sin embargo. “Estas temperaturas extremadamente bajas abren una riqueza inesperada de detalles que nos permite comprender mucho mejor la superconductividad y las interacciones luz-materia, "dice Christian Ast.