Físicos de la Universidad de Ratisbona han coreografiado el cambio de un nivel de energía electrónico cuantificado con oscilaciones atómicas más rápidas que una billonésima de segundo.

Al lanzar una pelota al aire, se puede transferir energía arbitraria a la pelota de modo que vuele más alto o más bajo. Una de las rarezas de la física cuántica es que las partículas, por ejemplo, los electrones, a menudo sólo pueden adquirir valores de energía cuantificados, como si la pelota estuviera saltando entre alturas específicas, como los escalones de una escalera, en lugar de volar continuamente.

Los qubits y los ordenadores cuánticos, así como los puntos cuánticos emisores de luz (Premio Nobel 2023), utilizan este principio. Sin embargo, los niveles de energía electrónica pueden modificarse mediante colisiones con otros electrones o átomos. Los procesos en el mundo cuántico suelen tener lugar a escalas atómicas y además son increíblemente rápidos.

Utilizando un nuevo tipo de microscopio ultrarrápido, un equipo de Ratisbona ha logrado observar directamente con resolución atómica en escalas de tiempo ultrarrápidas cómo la energía de un solo electrón es sintonizada por las vibraciones de los átomos circundantes. Sorprendentemente, también pudieron controlar específicamente este proceso. Estos descubrimientos podrían ser cruciales para el desarrollo de tecnologías cuánticas superrápidas.

Los físicos utilizaron un material atómicamente delgado para investigar cómo cambia un nivel de energía discreto cuando esta capa atómica se mueve hacia arriba y hacia abajo como la membrana de un tambor. Observaron esto en una vacante:el vacío que queda cuando se elimina un átomo individual.

Estos cristales bidimensionales, atómicamente delgados, conocidos por sus propiedades electrónicas versátiles y personalizables, son particularmente interesantes para la nanoelectrónica del futuro. Las vacantes en un cristal son candidatos prometedores para los qubits, los portadores de información elemental de las computadoras cuánticas, ya que tienen niveles de energía electrónica discretos al igual que los átomos.

Los investigadores descubrieron que pueden cambiar un nivel de energía discreto del defecto provocando una vibración similar a un tambor de la membrana atómicamente delgada:el movimiento atómico de los átomos circundantes cambia y, por lo tanto, controla el nivel de energía de la vacante. Estos resultados fueron publicados en Nature Photonics. .

Para realizar este descubrimiento revolucionario, los investigadores tuvieron que superar varios obstáculos. Se requiere una resolución atómica de 1 Ångström para observar los niveles de energía atómicamente localizados y su dinámica. Además, el movimiento en el nanomundo es extremadamente rápido.

"Para seguir cómo cambia un nivel de energía, es necesario tomar instantáneas estroboscópicas del nivel de energía, y cada instantánea se registra en menos de una billonésima de segundo, más rápido que los picosegundos", explica la primera autora Carmen Roelcke.

Todos estos desafíos los superó el equipo formado por Carmen Roelcke, Lukas Kastner y Yaroslav Gerasimenko mediante un elaborado método que aprovecha la energía y la resolución espacial de un microscopio de efecto túnel. Al mismo tiempo, el uso de pulsos láser ultracortos personalizados permite registrar la dinámica extremadamente rápida en cámara lenta. La experiencia combinada de los grupos de Jascha Repp y Rupert Huber creó la sinergia decisiva para la espectroscopia atómica ultrarrápida necesaria.

"Con nuestro novedoso enfoque podemos descifrar el movimiento estructural de la membrana del tambor atómico y el cambio del nivel de energía localizado en cámara lenta", dice Yaroslav Gerasimenko. Los cálculos de primeros principios realizados por Maximilian Graml y Jan Wilhelm explican de manera concluyente cómo se mueven los átomos en la capa atómicamente delgada durante la oscilación y cómo esto puede influir en los niveles de energía discretos.

El trabajo del equipo de Ratisbona abre una nueva era en el estudio de la dinámica de los niveles de energía atómicamente localizados y su interacción con el medio ambiente. Este descubrimiento permite el control local de niveles de energía discretos de la forma más directa. Por ejemplo, el movimiento de átomos individuales podría cambiar la estructura energética de un material y así crear nuevas funcionalidades o cambiar específicamente las propiedades de las moléculas y semiconductores emisores de luz.

Basándose en una combinación sin precedentes de resolución extrema de espacio, tiempo y energía, está a nuestro alcance una comprensión más profunda de procesos fundamentales como la interacción local de los electrones con las vibraciones de la red. Además, este enfoque podría ayudar a desentrañar los secretos de procesos clave detrás de las transiciones de fase, como la superconductividad de alta temperatura, que aún no se han entendido.

Más información: Carmen Roelcke et al, Espectroscopía de túnel de barrido ultrarrápido a escala atómica de una única vacante en un cristal monocapa. Fotónica de la naturaleza . DOI:10.1038/s41566-024-01390-6, www.nature.com/articles/s41566-024-01390-6

Información de la revista: Fotónica de la naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Ratisbona