Algunos de los fenómenos más prometedores y desconcertantes de la física se desarrollan en la nanoescala, donde un cambio de mil millonésimas de metro puede hacer o deshacer la conductividad eléctrica perfecta.

Ahora, Los científicos han desarrollado un nuevo método para sondear en tres dimensiones, complejidades de escala atómica y composiciones químicas con una precisión sin precedentes. La técnica revolucionaria, descrita el 6 de febrero en la revista Nano letras —Combina la microscopía de fuerza atómica con la espectroscopía de campo cercano para exponer el sorprendente daño causado incluso por las fuerzas más sutiles.

"Esto es como dar vista a un ciego, ", dijo el autor principal, Adrian Gozar, de la Universidad de Yale." Finalmente podemos ver las variaciones más importantes que dictan la funcionalidad a esta escala y explorar mejor tanto la electrónica de vanguardia como las cuestiones fundamentales que han persistido durante décadas ".

Científicos de la Universidad de Yale, Universidad Harvard, y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. desarrollaron la técnica para determinar por qué una técnica de fabricación de dispositivos en particular, la litografía por haz de iones de helio, no logró crear la escala escalable, nanocables superconductores de alto rendimiento predichos tanto por la teoría como por la simulación.

En trabajos anteriores, Se utilizaron haces de iones pesados ​​para tallar canales de 10 nm de ancho, unos 10, 000 veces más delgado que un cabello humano, gracias a materiales hechos a medida. Sin embargo, el nuevo estudio reveló que el daño inducido por el rayo se extendía a más de 50 veces esa distancia. A esta escala, esa diferencia era imperceptible y funcionalmente catastrófica.

"Esto aborda directamente el desafío de la computación cuántica, por ejemplo, donde empresas como IBM y Google están explorando nanocables superconductores pero necesitan síntesis y caracterización confiables, ", dijo el coautor del estudio y físico del Brookhaven Lab, Ivan Bozovic.

Escribiendo con iones

Un diseño prometedor para dispositivos superconductores de alta temperatura es la alternancia de interfaces superconductor-aislante-superconductor (SIS), o las llamadas uniones Josephson. Estos son teóricamente fáciles de fabricar mediante escritura de haz directo, asumiendo que se puede lograr suficiente precisión.

La litografía por haz de iones de helio (HIB) era un candidato perfecto, probado recientemente en materiales similares y muy adecuado para la producción rápida y escalable de nanocables superconductores y uniones Josephson.

"HIB nos permite enfocar el haz de partículas a menos de un nanómetro y 'escribir' patrones de manera efectiva para crear interfaces superconductoras, "dijo Nicholas Litombe, quien dirigió el trabajo de HIB bajo la dirección de la profesora Jenny Hoffman de Harvard, coautor de este estudio. "Nos propusimos cambiar esa técnica a otra clase de materiales:películas delgadas LSCO".

La colaboración comenzó con el meticuloso ensamblaje de películas delgadas de LSCO perfectas, llamadas así por su uso de lantano, estroncio, cobre, y oxigeno. El grupo de Bozovic en Brookhaven utilizó una técnica llamada epitaxia atómica de haz molecular capa por capa, que puede crear películas superconductoras y heteroestructuras atómicamente perfectas.

"Tengo un interés y una especialización desde hace mucho tiempo en el uso de la física de interfase para inducir y comprender la superconductividad de alta temperatura, "Dijo Bozovic." HIB nos da una forma completamente nueva de explorar estos materiales en la nanoescala ".

Litombe talló los canales de interfaz ultraprecisos en las películas delgadas de Bozovic. Pero los resultados inmediatos fueron desalentadores:la superconductividad anticipada se suprimió por completo cuando la corriente atravesó cables más estrechos que un par de cientos de nanómetros.

"Nuestros modelos informáticos y los resultados experimentales parecían excelentes, pero sabíamos que había fuerzas ocultas en acción, ", Dijo Litombe." Necesitábamos una comprensión más profunda de la estructura del material ".

Pararrayos criogénico

La composición del material y las propiedades electrónicas se pueden identificar a través de la forma en que absorben y emiten luz, un campo de larga data llamado espectroscopia. En el caso de la superconductividad, esto puede distinguir entre la superficie "brillante" de un metal conductor frente a la opacidad de un aislante que rompe la corriente.

Los científicos recurrieron al escaneo de microscopía óptica de campo cercano (SNOM) para examinar el brillo espectroscópico en las vías del HIB. Pero esta técnica, que canaliza la luz a través de un capilar de vidrio dorado, tiene un límite de resolución de aproximadamente 100 nanómetros, demasiado grande para examinar las interfaces superconductoras a nanoescala.

Afortunadamente, Gozar construyó un instrumento especializado para aumentar radicalmente la resolución espectroscópica. La máquina, construido completamente en Brookhaven Lab y ahora ubicado en Yale, combina SNOM con microscopía de fuerza atómica (AFM). Como la aguja de un tocadiscos que extrae el sonido de la textura del vinilo, una aguja AFM viaja sobre un material y lee la topografía atómica.

"Aquí, la aguja AFM actúa como un pararrayos, canalizando la luz SNOM hasta solo decenas de nanómetros, "Gozar dijo." Tenemos datos topográficos y espectroscópicos AFM simultáneos sobre las estructuras químicas profundas ".

Crucialmente, El sistema AFM-SNOM de Gozar también opera a las temperaturas criogénicas requeridas para probar estos materiales, una capacidad que solo se ofrece en unos pocos laboratorios en el mundo.

Ruina generalizada

La novedosa técnica reveló el daño inesperado y generalizado dejado como consecuencia de los iones de helio. A pesar del foco de 0,5 nanómetros del haz, sus efectos sacudieron átomos en una extensión de 500 nanómetros y alteraron la estructura lo suficiente como para evitar la superconductividad. Para la construcción de nanomateriales, este así llamado rezago lateral es absolutamente insostenible.

"Incluso el más mínimo empujón a esta escala destruye los poderosos fenómenos que pretendemos explotar, "Dijo Litombe." La superconductividad de alta temperatura puede tener una distancia de coherencia de unos pocos átomos, por lo que este efecto lateral es devastador. Nosotros estamos, por supuesto, todavía emocionado de explorar los detalles nunca antes vistos ".

Bozovic agregó, "En un sentido, todo el resultado fue negativo. Nuestro objetivo inicial de crear cables superconductores de nanómetros de espesor no se logró por completo. Pero descubrir por qué ha abierto algunas puertas realmente emocionantes ".

La técnica SNOM-AFM es fácilmente aplicable a campos como la plasmónica para la tecnología de visualización y el estudio del mecanismo detrás de la superconductividad de alta temperatura.

"La resolución a nanoescala y las capacidades tomográficas del instrumento, nos ponen en la cúspide de descubrir nuevas verdades sobre los fenómenos a nanoescala y la tecnología que potencia, "Dijo Gozar.