Nuevo método para mover con precisión columnas de átomos individuales podría dar lugar a propiedades cuánticas exóticas

Un equipo de investigadores del MIT, el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y otras instituciones de Estados Unidos ha creado un método para mover con precisión decenas de miles de átomos individuales dentro de un material en cuestión de minutos y a temperatura ambiente. Este método utiliza un conjunto de algoritmos para posicionar cuidadosamente un haz de electrones en puntos específicos del material y, posteriormente, escanear dicho haz para inducir el movimiento atómico.

En un artículo publicado en la revista 'Nature', los investigadores describen su método y cómo lo utilizaron para crear más de 40.000 defectos cuánticos en un material semiconductor cristalino.

"Los resultados demuestran la capacidad de mover átomos de forma determinista y repetida dentro de la red atómica tridimensional de un material", afirma Julian Klein, investigador del MIT, quien concibió y dirigió el proyecto. "Podemos reprogramar materiales para crear defectos a voluntad, logrando estados de la materia completamente artificiales que no se encuentran en la naturaleza, con una amplia gama de aplicaciones potenciales, incluyendo tecnologías de detección, ópticas y magnéticas. Estas técnicas ofrecen muchísimas oportunidades".

Han transcurrido 37 años desde que los científicos demostraron por primera vez la capacidad de mover átomos individuales, lo que sugirió la posibilidad de diseñar materiales átomo por átomo para personalizar sus propiedades. Hoy en día existen diversas técnicas que permiten a los investigadores mover átomos individuales para dotar a los materiales de propiedades cuánticas singulares y mejorar nuestra comprensión del comportamiento cuántico.

Sin embargo, las técnicas existentes solo permiten mover átomos sobre la superficie de los materiales en dos dimensiones. Además, la mayoría requiere procesos extremadamente lentos y condiciones de laboratorio de alto vacío y temperaturas ultrabajas.

Al respecto de este nuevo hallazgo, Frances Ross, profesora TDK de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT explica: "Es como una fotocopiadora que puede crear columnas de defectos atómicos idénticos. Resulta especialmente útil porque se pueden mover unos pocos átomos para formar defectos, y repetir el proceso una y otra vez para construir estructuras atómicas tridimensionales con funciones ajustables en un sistema más robusto, ya que los defectos se encuentran bajo la superficie".

Los investigadores afirman que este enfoque ofrece una nueva forma de estudiar el comportamiento cuántico en los materiales. Además, podría conducir en el futuro a mejoras en sistemas que aprovechan los defectos cuánticos, como las computadoras cuánticas, la memoria magnética de alta densidad, los dispositivos lógicos a escala atómica y otros.

En una demostración ya famosa de 1989, investigadores de IBM utilizaron un microscopio de efecto túnel para colocar 35 átomos en la superficie de un cristal enfriado y formar la palabra "IBM". Fue la primera vez que se posicionaron átomos con precisión, un hito importante. Este método permitió a los científicos diseñar defectos específicos, como vacantes del tamaño de un átomo y átomos superficiales en materiales cristalinos, lo que propició importantes avances en la ciencia cuántica. Sin embargo, colocar esos 35 átomos les llevó a los investigadores muchas horas, si no días.

Paralelamente a esos avances, los investigadores también desarrollaron dos enfoques adicionales para manipular átomos en el vacío: el uso de pinzas ópticas para atrapar átomos neutros y campos eléctricos oscilantes para atrapar iones.

Si bien estos enfoques han permitido un progreso notable, siguen limitados a superficies o a sistemas experimentales altamente controlados. Otro factor que limita el diseño de materiales para aplicaciones como las computadoras cuánticas es la incapacidad de las técnicas de manipulación atómica para mover átomos en tres dimensiones: los patrones se crean en la superficie del material, donde están expuestos al entorno y no pueden sobrevivir fuera de entornos de laboratorio estrictamente controlados.

Para diseñar materiales útiles con propiedades cuánticas personalizadas, los investigadores tendrían que reorganizar muchos más átomos, preferiblemente en el interior de los materiales. Los investigadores del MIT demostraron esta capacidad en su estudio publicado en Nature.

"Intentábamos aumentar la cantidad de átomos que podíamos mover en un tiempo razonable", explica Ross. "Se busca colocar los átomos cerca unos de otros para que puedan interactuar, y disponerlos en gran cantidad como se desee: miles o millones de átomos en ubicaciones específicas elegidas. Esto ha sido un desafío con las técnicas existentes".

Para su trabajo, los investigadores utilizaron microscopios de alto rendimiento del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía. Su nueva técnica emplea un sofisticado conjunto de algoritmos para dirigir un haz de electrones hacia un átomo objetivo con una precisión de unos pocos picómetros (una billonésima de metro). El haz describe un bucle cerrado para concentrarse en su objetivo y, a continuación, envía un haz de electrones a través del material siguiendo una trayectoria oscilante cuidadosamente diseñada, permaneciendo aproximadamente un segundo en cada punto.

"Desarrollamos algoritmos que nos permiten obtener rápidamente información sobre la posición del haz en el material", explica Klein. "El truco consiste en usar muy pocos electrones para obtener esa información, de modo que todo el proceso sea rápido y no dañe el cristal de forma involuntaria. Nos llevó muchos años desarrollar estos algoritmos y determinar la información mínima necesaria para inferir la ubicación de los átomos con la máxima precisión".

El movimiento del haz al transportar electrones, una trayectoria oscilante ideada por los investigadores, empuja columnas enteras de átomos a nuevas ubicaciones, de la misma manera que deslizarías el dedo por la pantalla de tu teléfono.

En sus experimentos, los investigadores utilizaron este método para dirigir el movimiento de columnas de átomos de cromo en un material semiconductor estable, el sulfuro-bromuro de cromo, mediante un cristal de aproximadamente 13 nanómetros de espesor. El haz creó vacantes del tamaño de un átomo en el material, cada vacante emparejada con el átomo desplazado, lo que, según sus cálculos, conferiría al cristal propiedades cuánticas singulares.

Para demostrar la eficacia de su método a gran escala, los investigadores crearon más de 40.000 defectos en unos 40 minutos, generando vacantes e intersticiales a diferentes distancias y con diferentes patrones, calculando que las distintas disposiciones atómicas deberían dar lugar a diferentes propiedades cuánticas.

"Cada uno de estos defectos tiene ciertas maneras de interactuar con sus vecinos", indica Ross. "Si los colocamos siguiendo un patrón, podríamos simular las interacciones entre los electrones dentro de una molécula, de modo que toda la estructura electrónica de esa molécula podría, en cierto sentido, plasmarse en un patrón que se puede grabar en un material sólido".

El éxito de este método probablemente se debió a la forma en que el cromo se une al semiconductor, que posee una estructura electrónica única. Los investigadores están estudiando otros cristales en los que este método podría funcionar, aunque sospechan que será aplicable a una amplia gama de materiales.

En los materiales donde funciona, este método presenta varias ventajas sobre las técnicas existentes. "Mover átomos dentro de los sólidos permite crear propiedades cuánticas en materiales que son estables en el aire fuera del vacío", subraya Klein.