Cómo es el microscopio cuántico que abre una nueva perspectiva en la investigación de los materiales

*Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Uno de los aspectos sorprendentes del mundo cuántico es que una partícula, por ejemplo un electrón, también es una onda, lo que significa que existe en muchos lugares al mismo tiempo. En un nuevo estudio, publicado en Nature en 2023, los investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias hacen uso de esta propiedad para desarrollar un nuevo tipo de herramienta –el microscopio cuántico de torsión (QTM, por sus siglas en inglés)– que puede crear nuevos materiales cuánticos mientras que simultáneamente observa la naturaleza cuántica más fundamental de sus electrones.

Los hallazgos del estudio pueden usarse para crear materiales electrónicos con funcionalidades sin precedentes.

El método QTM consiste en “girar” o rotar dos capas de material de un grosor atómico una respecto de la otra. En los últimos años, esta torsión se ha convertido en una fuente importante de descubrimientos. Comenzó con el descubrimiento de que al colocar dos capas de grafeno (láminas cristalinas de carbono de un átomo de grosor) una encima de la otra con un ligero ángulo de torsión relativo, se forma un “sándwich” con propiedades inesperadas.

El ángulo de torsión resultó ser el parámetro más crítico para controlar el comportamiento de los electrones: cambiándolo tan solo una décima de grado, el material podría pasar de ser un superconductor exótico a un aislante no convencional. Pero, por crítico que sea, este parámetro es también el más difícil de controlar en los experimentos. En general, torcer dos capas hasta alcanzar un nuevo ángulo requiere construir un nuevo “sándwich” desde cero, un proceso que es muy largo y tedioso.

“Nuestra motivación original era resolver este problema construyendo una máquina que pudiera torcer continuamente dos materiales cualesquiera uno con respecto al otro, produciendo fácilmente una gama infinita de materiales nuevos”, dice el líder del equipo, el profesor Shahal Ilani del Departamento de Física de la Materia Condensada del Weizmann. “Sin embargo, mientras construíamos esta máquina, descubrimos que también se puede convertir en un microscopio muy potente, capaz de ver ondas electrónicas cuánticas de formas que antes eran inimaginables”.

Creando una imagen cuántica

Las fotografías han desempeñado un papel central en los descubrimientos científicos desde hace mucho tiempo. Los microscopios ópticos y los telescopios proporcionan imágenes que permiten a los científicos obtener una comprensión más profunda de los sistemas biológicos y astrofísicos. Por otro lado, tomar fotografías de electrones en el interior de los materiales ha sido durante muchos años notoriamente difícil, debido a las pequeñas dimensiones involucradas.

Esto cambió hace unos 40 años con la invención del microscopio de efecto túnel de barrido, que valió a sus desarrolladores el Premio Nobel de Física en 1986. Este microscopio utiliza una aguja atómicamente afilada para escanear la superficie de un material, midiendo la corriente eléctrica y construyendo gradualmente una imagen de la distribución de electrones en la muestra.

“Desde entonces se han desarrollado muchas sondas de escaneo diferentes, cada una de las cuales mide una propiedad electrónica diferente, pero todas miden estas propiedades en un lugar a la vez. Por lo tanto, en su mayoría ven los electrones como partículas y solo pueden aprender indirectamente sobre su naturaleza ondulatoria”, explica el profesor Ady Stern del Instituto Weizmann, que participó en el estudio junto con otros tres físicos teóricos del mismo departamento: los profesores Binghai Yan, Yuval Oreg y Erez Berg.

“Resultó que la herramienta que hemos construido puede visualizar las ondas electrónicas cuánticas directamente, lo que nos brinda una forma de desentrañar las danzas cuánticas que realizan dentro del material”, dice Stern.

Detectar un electrón en varios lugares a la vez

“El truco para ver las ondas cuánticas es detectar el mismo electrón en diferentes lugares al mismo tiempo”, afirma Alon Inbar, uno de los autores principales del artículo. “La medición es conceptualmente similar al famoso experimento de las dos rendijas, que se utilizó hace un siglo para demostrar por primera vez que los electrones en la mecánica cuántica tienen una naturaleza ondulatoria”, añade el Dr. John Birkbeck, otro autor principal. “La única diferencia es que realizamos dicho experimento en la punta de nuestro microscopio de barrido”.

Para lograrlo, los investigadores reemplazaron la punta atómicamente afilada del microscopio de efecto túnel por una punta que contiene una capa plana de un material cuántico, como una sola capa de grafeno. Cuando esta capa entra en contacto con la superficie de la muestra de interés, forma una interfaz bidimensional a través de la cual los electrones pueden hacer efecto túnel en muchos lugares diferentes. Desde el punto de vista de la mecánica cuántica, hacen efecto túnel en todos los lugares simultáneamente, y los eventos de efecto túnel en diferentes lugares interfieren entre sí. Esta interferencia permite que un electrón haga efecto túnel solo si sus funciones de onda en ambos lados de la interfaz coinciden exactamente.

“Para ver un electrón cuántico, tenemos que ser delicados”, dice Ilani. “Si no le hacemos la grosera pregunta ‘¿Dónde estás?’, sino que le proporcionamos múltiples rutas para cruzar hacia nuestro detector sin que sepamos por dónde cruzó realmente, le permitimos preservar su frágil naturaleza ondulatoria”.

En general, las ondas electrónicas en la punta y la muestra se propagan en direcciones diferentes y, por lo tanto, no coinciden. El QTM utiliza su capacidad de torsión para encontrar el ángulo en el que se produce la coincidencia: al girar continuamente la punta con respecto a la muestra, la herramienta hace que sus funciones de onda correspondientes también se tuerzan entre sí. Una vez que estas funciones de onda coinciden en ambos lados de la interfaz, puede producirse la tunelización. Por lo tanto, la torsión permite al QTM representar gráficamente cómo la función de onda electrónica depende del momento, de manera similar a la forma en que las traslaciones laterales de la punta permiten representar gráficamente su dependencia de la posición. El simple hecho de saber en qué ángulos cruzan los electrones la interfaz proporciona a los investigadores una gran cantidad de información sobre el material investigado. De esta manera, pueden aprender sobre la organización colectiva de los electrones dentro de la muestra, su velocidad, distribución de energía, patrones de interferencia e incluso las interacciones de diferentes ondas entre sí.

“Nuestro microscopio proporcionará a los científicos un nuevo tipo de ‘lente’ para observar y medir las propiedades de los materiales cuánticos”, afirma Jiewen Xiao, otro autor principal.

Observar tan profundamente el mundo cuántico puede ayudar a revelar verdades fundamentales sobre la naturaleza. En el futuro, también podría tener un efecto tremendo en las tecnologías emergentes. El QTM brindará a los investigadores acceso a un espectro sin precedentes de nuevas interfaces cuánticas, así como nuevos “ojos” para descubrir fenómenos cuánticos dentro de ellas.

La investigación del profesor Shahal Ilani cuenta con el apoyo del Premio Helen y Martin Kimmel a la Investigación Innovadora, del Programa Sagol Weizmann-MIT Bridge y del Premio de Investigación Rosa y Emilio Segre.El profesor Ady Stern es director del Instituto Schwartz Reisman de Física Teórica.El profesor Yuval Oreg es director del Centro Maurice y Gabriella Goldschleger de Nanofísica y titular de la Cátedra de Física Lady Davis.