Prof. Stefan Tautz (abajo a la izquierda), El Dr. Taner Esat (arriba a la izquierda) y el Prof. Ruslan Temirov (derecha) en el microscopio cuántico de Jülich Crédito:Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau
Los microscopios de túnel de barrido capturan imágenes de materiales con precisión atómica y se pueden utilizar para manipular moléculas o átomos individuales. Los investigadores han estado utilizando los instrumentos durante muchos años para explorar el mundo de los fenómenos nanoscópicos. Un nuevo enfoque de los físicos de Forschungszentrum Jülich ahora está creando nuevas posibilidades para usar los dispositivos para estudiar efectos cuánticos. Gracias al enfriamiento magnético, su microscopio de barrido de túnel funciona sin partes móviles y casi no produce vibraciones a temperaturas extremadamente bajas de hasta 30 milikelvin. El instrumento puede ayudar a los investigadores a descubrir las propiedades excepcionales de los materiales cuánticos. que son cruciales para el desarrollo de sensores y computadoras cuánticas.
Los físicos consideran que el rango de temperatura cercano al cero absoluto es un área particularmente interesante para la investigación. Las fluctuaciones térmicas se reducen al mínimo. Las leyes de la física cuántica entran en juego y revelan propiedades especiales de los materiales. La corriente eléctrica fluye entonces libremente sin ninguna resistencia. Otro ejemplo es un fenómeno llamado superfluidez:los átomos individuales se fusionan en un estado colectivo y se mueven entre sí sin fricción.
Estas temperaturas extremadamente bajas también son necesarias para investigar y aprovechar los efectos cuánticos para la computación cuántica. Investigadores de todo el mundo, así como de Forschungszentrum Jülich, persiguen actualmente este objetivo a toda velocidad. Las computadoras cuánticas podrían ser muy superiores a las supercomputadoras convencionales para determinadas tareas. Sin embargo, el desarrollo está todavía en su infancia. Un desafío clave es encontrar materiales y procesos que hagan posibles arquitecturas complejas con bits cuánticos estables.
"Creo que un microscopio versátil como el nuestro es la herramienta elegida para esta fascinante tarea, porque permite visualizar y manipular la materia a nivel de átomos y moléculas individuales de muchas formas diferentes, "explica Ruslan Temirov de Forschungszentrum Jülich.
Un objeto típico de la investigación de la física cuántica:en el centro, se puede ver una sola molécula, que se separó con la ayuda de la punta del microscopio. A temperaturas cercanas al cero absoluto, no hay ruido que perturbe la imagen. Crédito:Forschungszentrum Jülich / Taner Esat, Ruslan Temirov
Durante años de trabajo, él y su equipo han equipado un microscopio de efecto túnel con enfriamiento magnético para este propósito. "Nuestro nuevo microscopio se diferencia de todos los demás de forma similar a como se diferencia un coche eléctrico de un vehículo con motor de combustión, "explica el físico de Jülich. Hasta ahora, los investigadores han confiado en una especie de combustible líquido, una mezcla de dos isótopos de helio, para llevar microscopios a temperaturas tan bajas. "Durante la operación, esta mezcla de enfriamiento circula continuamente a través de tubos delgados, lo que conduce a un aumento del ruido de fondo, "dice Temirov.
El dispositivo de enfriamiento del microscopio de Jülich, por otra parte, se basa en el proceso de desmagnetización adiabática. El principio no es nuevo. Se utilizó en la década de 1930 para alcanzar temperaturas por debajo de 1 kelvin en el laboratorio por primera vez. Para el funcionamiento de microscopios, tiene varias ventajas, dice Ruslan Temirov:"Con este método, podemos enfriar nuestro nuevo microscopio simplemente cambiando la fuerza de la corriente eléctrica que pasa a través de una bobina electromagnética. Por lo tanto, nuestro microscopio no tiene partes móviles y prácticamente no tiene vibraciones ".
Los científicos de Jülich son los primeros en construir un microscopio de túnel de barrido utilizando esta técnica. "La nueva tecnología de enfriamiento tiene varias ventajas prácticas. No solo mejora la calidad de la imagen, pero el funcionamiento de todo el instrumento y toda la configuración se simplifican, "dice el director del instituto Stefan Tautz. Gracias a su diseño modular, el microscopio cuántico de Jülich también permanece abierto a avances técnicos, él añade, ya que las actualizaciones se pueden implementar fácilmente.
"El enfriamiento adiabático es un verdadero salto cuántico para la microscopía de túnel de barrido. Las ventajas son tan significativas que ahora estamos desarrollando un prototipo comercial como nuestro próximo paso, Stefan Tautz explica. Las tecnologías cuánticas son actualmente el foco de mucha investigación. Por lo tanto, el interés de muchos grupos de investigación en un instrumento de este tipo está asegurado.
La investigación fue publicada en Revisión de instrumentos científicos .
