Durante más de una década, los físicos han podido medir con precisión la ubicación de átomos individuales con una precisión inferior a una milésima de milímetro utilizando un tipo especial de microscopio. Sin embargo, hasta ahora este método sólo ha proporcionado las coordenadas xey. Falta información sobre la posición vertical del átomo.
Ahora se ha desarrollado un nuevo método que puede determinar las tres coordenadas espaciales de un átomo con una sola imagen. Este método, desarrollado por la Universidad de Bonn y la Universidad de Bristol, se basa en un ingenioso principio físico. El estudio se publica en la revista Physical Review A. .
Cualquiera que haya utilizado un microscopio en una clase de biología para estudiar una célula vegetal probablemente recordará una situación similar. Es fácil saber que cierto cloroplasto se encuentra encima y a la derecha del núcleo.
¿Pero están ambos ubicados en el mismo plano? Sin embargo, una vez que ajustas el enfoque en el microscopio, ves que la imagen del núcleo se vuelve más nítida mientras que la imagen del cloroplasto se vuelve borrosa. Uno de ellos debe ser un poco más alto y el otro un poco más bajo que el otro. Sin embargo, este método no puede darnos detalles precisos sobre sus posiciones verticales.
El principio es muy similar si quieres observar átomos individuales en lugar de células. Para ello se puede utilizar la denominada microscopía cuántica de gases. Le permite determinar las coordenadas xey de un átomo directamente. Sin embargo, es mucho más difícil medir su coordenada z, es decir, la distancia a la lente del objetivo:para saber en qué plano se encuentra el átomo, se deben tomar varias imágenes en las que el foco se desplaza en varios planos diferentes. .
Este es un proceso complejo y que requiere mucho tiempo.
"Hemos desarrollado un método que permite completar este proceso en un solo paso", explica Tangi Legrand del Instituto de Física Aplicada (IAP) de la Universidad de Bonn. "Para lograrlo utilizamos un efecto que ya se conocía en teoría desde los años 90, pero que aún no se había utilizado en un microscopio cuántico de gases."
Para experimentar con los átomos, primero es necesario enfriarlos significativamente para que apenas se muevan. Después es posible, por ejemplo, atraparlos en una onda estacionaria de luz láser. Luego se deslizan hacia los canales de la ola, de forma similar a como se colocan los huevos en una caja de huevos.
Una vez atrapados, para revelar su posición, se los expone a un rayo láser adicional, que los estimula a emitir luz. La fluorescencia resultante aparece en el microscopio cuántico de gases como una mancha redonda y ligeramente borrosa.
"Ahora hemos desarrollado un método especial para deformar el frente de onda de la luz emitida por el átomo", explica el Dr. Andrea Alberti. En el estudio también participó el investigador, que ahora se trasladó del IAP al Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching.
"En lugar de las típicas motas redondas, el frente de onda deformado produce en la cámara una forma de mancuerna que gira sobre sí misma. La dirección en la que apunta esta mancuerna depende de la distancia que la luz tuvo que recorrer desde el átomo hasta la cámara."
"La mancuerna actúa como la aguja de una brújula y nos permite leer la coordenada z según su orientación", afirma el Prof. Dr. Dieter Meschede. El investigador del IAP, cuyo grupo de investigación llevó a cabo el estudio, también es miembro del área de investigación transdisciplinaria "Matter" de la Universidad de Bonn.
El nuevo método permite determinar con precisión la posición de un átomo en tres dimensiones con una única imagen. Esto es importante, por ejemplo, si se quieren realizar experimentos de mecánica cuántica con átomos, porque a menudo es esencial poder controlar o seguir su posición con precisión. Esto permite a los investigadores hacer que los átomos interactúen entre sí de la manera deseada.
Además, el método también podría utilizarse para ayudar a desarrollar nuevos materiales cuánticos con características especiales. "Por ejemplo, podríamos investigar qué efectos de la mecánica cuántica se producen cuando los átomos están dispuestos en un orden determinado", explica la Dra. Carrie Weidner de la Universidad de Bristol. "Esto nos permitiría simular hasta cierto punto las propiedades de materiales tridimensionales sin tener que sintetizarlos."
Más información: Tangi Legrand et al, Imágenes tridimensionales de átomos individuales en una red óptica mediante ingeniería de función de dispersión de puntos helicoidales, Revisión física A (2024). DOI:10.1103/PhysRevA.109.033304. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2312.05341
Proporcionado por la Universidad de Bonn
