Representa átomos individuales. Traza mapas de colinas y valles a escala atómica sobre superficies metálicas y aislantes. Y registra el flujo de corriente a través de materiales delgados como átomos sujetos a campos magnéticos gigantes. Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un nuevo instrumento que puede realizar tres tipos de mediciones a escala atómica simultáneamente. Juntos, Estas mediciones pueden revelar nuevos conocimientos sobre una amplia gama de materiales especiales que son cruciales para desarrollar la próxima generación de computadoras cuánticas. comunicaciones y una serie de otras aplicaciones.

Desde smartphones hasta multicookers, Los dispositivos que realizan varias funciones suelen ser más convenientes y potencialmente menos costosos que las herramientas de un solo propósito que reemplazan. y sus múltiples funciones a menudo funcionan mejor en conjunto que por separado. El nuevo instrumento tres en uno es una especie de navaja suiza para mediciones a escala atómica. El investigador del NIST Joseph Stroscio y sus colegas, incluidos Johannes Schwenk y Sungmin Kim, presentar una receta detallada para construir el dispositivo en el Revisión de instrumentos científicos .

"Describimos un plano para que lo copien otras personas, "Dijo Stroscio." Pueden modificar los instrumentos que tienen; no tienen que comprar equipo nuevo ".

Al realizar simultáneamente mediciones en escalas que van desde nanómetros a milímetros, El instrumento puede ayudar a los investigadores a concentrarse en los orígenes atómicos de varias propiedades inusuales en materiales que pueden resultar invaluables para una nueva generación de computadoras y dispositivos de comunicación. Estas propiedades incluyen el flujo de corriente eléctrica sin resistencia, saltos cuánticos en la resistencia eléctrica que podrían servir como nuevos interruptores eléctricos, y nuevos métodos para diseñar bits cuánticos, lo que podría conducir a computadoras cuánticas basadas en estado sólido.

"Al conectar lo atómico con la gran escala, podemos caracterizar los materiales de una manera que antes no podíamos, "dijo Stroscio.

Aunque las propiedades de todas las sustancias tienen sus raíces en la mecánica cuántica, las leyes físicas que gobiernan el reino liliputiense de átomos y electrones, los efectos cuánticos a menudo pueden ignorarse a gran escala, como el mundo macroscópico que experimentamos todos los días. Pero para una clase de materiales muy prometedora conocida como materiales cuánticos, que normalmente constan de una o más capas atómicamente delgadas, Los fuertes efectos cuánticos entre grupos de electrones persisten a grandes distancias y las reglas de la teoría cuántica pueden dominar incluso en escalas de longitud macroscópicas. Estos efectos dan lugar a propiedades notables que pueden aprovecharse para las nuevas tecnologías.

Para estudiar estas propiedades con mayor precisión, Stroscio y sus colegas combinaron en un solo instrumento un trío de dispositivos de medición de precisión. Dos de los dispositivos, un microscopio de fuerza atómica (AFM) y un microscopio de túnel de barrido (STM), examinar las propiedades microscópicas de los sólidos, mientras que la tercera herramienta registra la propiedad macroscópica del transporte magnético:el flujo de corriente en presencia de un campo magnético.

"Ningún tipo de medición proporciona todas las respuestas para comprender los materiales cuánticos, ", dijo el investigador del NIST Nikolai Zhitenev." Este dispositivo, con múltiples herramientas de medición, proporciona una imagen más completa de estos materiales ".

Para construir el instrumento, El equipo del NIST diseñó un AFM y un dispositivo de medición de transporte magnético que eran más compactos y tenían menos partes móviles que las versiones anteriores. Luego integraron las herramientas con un STM existente.

Tanto un STM como un AFM utilizan una punta afilada como una aguja para examinar la estructura a escala atómica de las superficies. Un STM mapea la topografía de las superficies metálicas colocando la punta dentro de una fracción de nanómetro (mil millonésima parte de un metro) del material en estudio. Al medir el flujo de electrones que sale de la superficie del metal a medida que la punta afilada se cierne justo encima del material, el STM revela las colinas y valles a escala atómica de la muestra.

A diferencia de, un AFM mide las fuerzas mediante cambios en la frecuencia a la que oscila su punta cuando se cierne sobre una superficie. (La punta está montada en un voladizo en miniatura, lo que permite que la sonda oscile libremente.) La frecuencia de oscilación cambia a medida que la sonda aguda detecta fuerzas, como la atracción entre moléculas, o las fuerzas electrostáticas con la superficie del material. Para medir el transporte magnético, se aplica una corriente a través de una superficie sumergida en un campo magnético conocido. Un voltímetro registra el voltaje en diferentes lugares del dispositivo, revelando la resistencia eléctrica del material.

El conjunto está montado dentro de un criostato, un dispositivo que enfría el sistema a una centésima de grado por encima del cero absoluto. A esa temperatura la fluctuación cuántica aleatoria de las partículas atómicas se minimiza y los efectos cuánticos a gran escala se vuelven más pronunciados y fáciles de medir. El dispositivo tres en uno, que está protegido del ruido eléctrico externo, también es de cinco a diez veces más sensible que cualquier conjunto anterior de instrumentos similares, acercándose al límite fundamental de ruido cuántico que se puede alcanzar a bajas temperaturas.

Aunque es posible para tres instrumentos completamente independientes:un STM, un AFM y una configuración de transporte magnético:para realizar las mismas mediciones, insertar y luego retraer cada herramienta puede alterar la muestra y disminuir la precisión del análisis. Los instrumentos separados también pueden dificultar la reproducción de las condiciones exactas, como la temperatura y el ángulo de rotación entre cada capa ultrafina del material cuántico, bajo el cual se realizaron las mediciones previas.

Para lograr el objetivo de un instrumento tres en uno con alta sensibilidad, el equipo de NIST se asoció con un equipo internacional de expertos, incluyendo a Franz Giessibl de la Universidad de Ratisbona, Alemania, quien inventó un AFM altamente efectivo conocido como qPlus AFM. El equipo eligió un diseño compacto que aumentaba la rigidez del microscopio y equipó el sistema con una serie de filtros para eliminar el ruido de radiofrecuencia. La aguja atómicamente delgada del STM se duplicó como sensor de fuerza para el AFM, que se basó en un nuevo diseño de sensor de fuerza creado por Giessibl para el instrumento tres en uno.

Para Stroscio, un pionero en la construcción de STM cada vez más sofisticados, el nuevo dispositivo es una especie de pináculo en una carrera de más de tres décadas en microscopía de sonda de barrido. Su equipo, El lo notó, había estado luchando durante varios años para reducir drásticamente el ruido eléctrico en sus mediciones. "Ahora hemos logrado la máxima resolución dada por los límites térmicos y cuánticos en este nuevo instrumento, "Dijo Stroscio.

"Se siente como si hubiera escalado el pico más alto de las Montañas Rocosas, ", agregó." Es una buena síntesis de todo lo que he aprendido en los últimos 30 años ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.