Un esquema que representa una medición de microscopía donde un pulso de luz láser (curva roja) ilumina una aguja atómicamente afilada (arriba) colocada sobre la superficie de la muestra. La nanocinta de grafeno se asienta sobre un sustrato de oro. Los datos experimentales se muestran en azul, lo que revela la distribución de electrones sobre la nanocinta. Crédito:Spencer Ammerman
Cuando el físico Tyler Cocker se unió a la Universidad Estatal de Michigan en 2018, tenía un objetivo claro:construir un microscopio potente que sería el primero de su tipo en los Estados Unidos.
Habiendo logrado eso, era hora de poner el microscopio a trabajar.
"Sabíamos que teníamos que hacer algo útil", dijo Cocker, titular de la Cátedra Jerry Cowen de Física Experimental en el Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Ciencias Naturales. "Tenemos el microscopio más bonito del país. Deberíamos usarlo para nuestro beneficio".
Con su microscopio, el equipo de Cocker está utilizando luz y electrones para estudiar materiales con una intimidad y resolución sin igual. Los investigadores pueden ver átomos y medir características cuánticas dentro de muestras que podrían convertirse en los componentes básicos de computadoras cuánticas y células solares de próxima generación.
El equipo le dio al mundo el primer vistazo de esas capacidades el 23 de noviembre en la revista Nature Communications , tomando instantáneas de cómo se distribuyen los electrones en lo que se conoce como nanocintas de grafeno.
"Esta es una de las primeras demostraciones de que este tipo de microscopio puede decir algo nuevo", dijo Cocker. "Estamos muy entusiasmados y orgullosos del trabajo. También tenemos todas estas ideas en la cabeza sobre adónde queremos llegar con él".
El equipo de Cocker es parte de una colaboración que está trabajando para desarrollar estas nanocintas en qubits, pronunciados "q-bits", para computadoras cuánticas. La colaboración abarca cinco instituciones y el trabajo cuenta con el apoyo de una subvención de la Oficina de Investigación Naval que proporcionará más de $ 1 millón a la contribución de MSU.
Para las Comunicaciones de la Naturaleza Cocker se asoció con el grupo de investigación de Roman Fasel, profesor de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales. Fasel inventó lo que se conoce como el método de crecimiento de abajo hacia arriba para las nanocintas de grafeno. El laboratorio de Fasel ha sintetizado moléculas que, con la adición de calor, pueden convertirse en cintas con una forma y tamaño predeterminados.
"Básicamente, horneas las moléculas como un pastel", dijo Cocker. "Luego, las propiedades de la cinta con la que terminas están predefinidas. Sabes lo que obtienes antes de comenzar".
Una ilustración muestra nanocintas de grafeno sobre un sustrato de oro. Los datos experimentales revelados por el microscopio del estado de Michigan se muestran en azul sobre las cintas. Crédito:Spencer Ammerman
El laboratorio suizo envió las moléculas a la MSU, donde el laboratorio de Cocker hizo crecer las cintas de precisión y luego las examinó con su microscopio. La base del instrumento es lo que se conoce como microscopio de túnel de barrido, o STM, que lleva una punta o sonda muy afilada extremadamente cerca de la muestra que se está estudiando sin tocarla.
Aunque la punta y la muestra no estén en contacto, los electrones aún pueden saltar o hacer un túnel desde la punta hasta la muestra. Al registrar cómo los electrones hacen un túnel (por ejemplo, cuántos electrones hacen un túnel y con qué rapidez), el microscopio genera imágenes de alta resolución de la muestra y sus propiedades.
Lo que han hecho Cocker y su equipo es acoplar este STM convencional con pulsos extremadamente cortos de luz láser, lo que les permite acercar aún más la punta del STM a la muestra. Como resultado, pueden extraer información más detallada de una muestra que nunca.
"Es casi como si nos estuviéramos acercando acercando físicamente la punta", dijo.
Luego, el equipo pudo caracterizar diferentes nanocintas con resolución atómica, revelando información clara sin precedentes sobre cómo se distribuyen los electrones dentro de la estructura.
Además de una publicación, esta obra también ha ganado premios para sus espartanos autores. El académico postdoctoral Vedran Jelic ganó un premio por su póster sobre la investigación en un taller reciente en Alemania. El estudiante de posgrado Spencer Ammerman ganó un premio por presentar el trabajo en noviembre pasado en una conferencia organizada por la Infrared, Millimeter and Terahertz Wave Society, que también otorgó a Cocker su Premio al Científico Joven 2021.
A pesar de lo emocionados que están Cocker y su equipo con el nuevo artículo y estos elogios, esperan con ansias lo que sigue. Por ejemplo, el equipo está trabajando para pasar de imágenes fijas a películas de muestras, mostrando cómo se mueven los electrones dentro de las cintas a medida que el nanomaterial absorbe la luz.
Los investigadores también están construyendo un segundo microscopio con el apoyo de una subvención del Departamento de Defensa otorgada en junio, lo que significa que los únicos dos microscopios como este en los EE. UU. estarán en la MSU.
"Este documento es muy emocionante, pero también es solo el primer paso", dijo Cocker. "Creemos que va a abrir muchas posibilidades". Una estrategia para controlar la polarización de espín de los electrones usando helio
