Los científicos e ingenieros que trabajan en la frontera de la nanotecnología se enfrentan a enormes desafíos. Cuando la posición de un solo átomo en un material puede cambiar las propiedades fundamentales de ese material, los científicos necesitan algo en su caja de herramientas para medir cómo se comportará ese átomo.

Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Leeds, en colaboración con colegas de la Universidad de la Sorbona en París, Francia, han demostrado por primera vez que es posible desarrollar una técnica de diagnóstico vagamente relacionada con la idea de un diapasón.

Un diapasón produce un tono fijo cuando se le aplica energía; en ese caso, cuando se golpea. Pero si la bifurcación se altera de alguna manera, se desafina:el tono cambia.

La técnica que está utilizando el equipo de investigación consiste en disparar un haz de electrones a un solo átomo en un sólido. Esa corriente de energía hace que ella y los átomos que la rodean vibren.

Esto crea una huella digital de energía vibratoria única, similar al tono fijo de un diapasón, que se puede registrar con un microscopio electrónico. Pero si hay una impureza de un solo átomo, otro elemento químico, por ejemplo, la huella de energía vibratoria de esa impureza cambiará:el material "sonará" diferente en esta ubicación precisa.

La investigación abre la posibilidad de que los científicos puedan monitorear materiales en busca de impurezas atómicas.

Los resultados, Espectroscopía vibratoria de átomo único en el microscopio electrónico de barrido, se publican hoy en la revista Ciencias .

Quentin Ramasse, Profesor de Microscopía Electrónica Avanzada en Leeds que dirigió el proyecto, dijo:"Ahora tenemos evidencia directa de que un solo átomo" extraño "en un sólido puede cambiar su propiedad vibratoria a escala atómica.

"Esto se ha predicho durante décadas, pero no ha habido ninguna técnica experimental para observar estos cambios vibratorios directamente. Hemos podido demostrar por primera vez que se puede registrar esa firma de defecto con precisión atómica ".

Los investigadores utilizaron el laboratorio SuperSTEM, el Centro de Investigación Nacional del Reino Unido para Microscopía Electrónica Avanzada, apoyado por el Consejo de Investigación Física y de Ingeniería (EPSRC).

La instalación alberga algunas de las instalaciones más avanzadas del mundo para investigar la estructura atómica de la materia, y se gestiona bajo los auspicios de un consorcio académico dirigido por la Universidad de Leeds (que también incluye las Universidades de Oxford, York que participaron en este proyecto, así como Manchester, Glasgow y Liverpool).

Los científicos localizaron un solo átomo de impureza de silicio en un gran cristal de grafeno (una forma de carbono de solo un átomo de espesor) y luego enfocaron el haz de su microscopio electrónico directamente en ese átomo.

El profesor Ramasse dijo:"Lo estamos golpeando con un haz de electrones, que hace que el átomo de silicio se mueva o vibre, absorbiendo parte de la energía del haz de electrones entrante en el proceso, y estamos midiendo la cantidad de energía que se está absorbiendo ".

La animación ilustra esquemáticamente cómo vibra el silicio, y cómo esa vibración comienza a afectar a los átomos vecinos, y está inspirado en extensos cálculos teóricos del equipo del Dr. Guillaume Radtke en la Universidad de la Sorbona, que colaboró ​​en este proyecto.

"La respuesta vibratoria que observamos es exclusiva de cómo este átomo de silicio en particular se encuentra dentro de la red de grafeno, ", agregó el Dr. Radtke." Podríamos predecir cómo su presencia perturbaría la red circundante de átomos de carbono, pero estos experimentos representan un logro técnico real porque ahora podemos medir con precisión atómica un cambio tan sutil ".