Crean microscopio de torsión cuántica para explorar fenómenos cuánticos

Una versión inteligente de la ciencia de la twistrónica ofrece nuevas formas de explorar los fenómenos cuánticos.

Uno de los aspectos sorprendentes del mundo cuántico es que una partícula, digamos un electrón, también es una onda, lo que significa que existe en muchos lugares al mismo tiempo.

En un nuevo estudio investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann hacen uso de esta propiedad para desarrollar un nuevo tipo de herramienta, el microscopio de torsión cuántica (QTM), que puede crear materiales cuánticos novedosos mientras observa simultáneamente la naturaleza cuántica fundamental de sus electrones.

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

El QTM implica la “torsión” o rotación de dos capas atómicamente delgadas de material entre sí.

En los últimos años, esta torsión se ha convertido en una importante fuente de descubrimientos.

Comenzó con el descubrimiento de que colocar dos capas de grafeno, láminas de carbono cristalinas de un átomo de espesor, una encima de la otra con un ligero ángulo de giro relativo, conduce a un “sándwich” con nuevas e inesperadas propiedades.

El ángulo de torsión resultó ser el parámetro más crítico para controlar el comportamiento de los electrones: cambiarlo solo una décima de grado podría transformar el material de un superconductor exótico en un aislante no convencional.

Pero por crítico que sea, este parámetro también es el más difícil de controlar en los experimentos.

En general, torcer dos capas en 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 mediante la construcción de una máquina que pudiera torcer continuamente dos materiales entre sí, produciendo fácilmente una gama infinita de materiales novedosos”, dice el líder del equipo, el profesor Shahal Ilani, del Departamento de Física de la Materia Condensada de Weizmann.

“Sin embargo, mientras construíamos esta máquina, descubrimos que también se puede convertir en un microscopio muy poderoso, capaz de ver ondas electrónicas cuánticas en formas que antes eran inimaginables”.

Las imágenes han jugado durante mucho tiempo un papel central en el descubrimiento científico.

Los microscopios ópticos y los telescopios proporcionan habitualmente imágenes que permiten a los científicos obtener una comprensión más profunda de los sistemas biológicos y astrofísicos.

Tomar fotografías de electrones dentro de los materiales, por otro lado, ha sido notoriamente difícil durante muchos años, debido a las pequeñas dimensiones involucradas.

Esto se transformó hace unos 40 años con la invención del microscopio de túnel de barrido, que le valió a sus desarrolladores el Premio Nobel de Física de 1986.

Este microscopio utiliza una aguja atómicamente afilada para escanear la superficie de un material, medir la corriente eléctrica y construir gradualmente una imagen de la distribución de electrones en la muestra.

“Desde esta invención 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 a los electrones como partículas y solo pueden aprender indirectamente sobre su naturaleza ondulatoria”, explica el Prof. Ady Stern del Instituto Weizmann, quien participó en el estudio junto con otros tres físicos teóricos del mismo departamento: Profs. Binghai Yan, Yuval Oreg y Erez Berg.

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

“El truco para ver ondas cuánticas es detectar el mismo electrón en diferentes lugares al mismo tiempo“, dice Alon Inbar, autor principal del artículo.

“La medida es conceptualmente similar al famoso experimento de dos rendijas, que se utilizó hace un siglo para demostrar por primera vez que los electrones en la mecánica cuántica tienen una naturaleza ondulatoria”, agrega el Dr. John Birkbeck, otro autor principal.

“La única diferencia es que realizamos un experimento de este tipo en la punta de nuestro microscopio de barrido”.

Para lograr esto, los investigadores reemplazaron la punta atómicamente afilada del microscopio de efecto túnel con una punta que contiene una capa plana de un material cuántico, como una sola capa de grafeno.

Cuando esta capa se pone en contacto con la superficie de la muestra de interés, forma una interfaz bidimensional a través de la cual los electrones pueden hacer un túnel en muchos lugares diferentes.

Mecánicamente cuánticamente, hacen túneles en todos los lugares simultáneamente, y los eventos de túneles en diferentes lugares interfieren entre sí.

Esta interferencia permite que un electrón haga un túnel solo si sus funciones de onda en ambos lados de la interfaz coinciden exactamente.

“Para ver un electrón cuántico, tenemos que ser cuidadosos”, dice Ilani.

“Si no le hacemos la pregunta grosera ‘¿Dónde estás?’, sino que le proporcionamos múltiples rutas para cruzar a nuestro detector sin que sepamos dónde cruzó realmente, le permitimos preservar su frágil naturaleza ondulatoria“.

En general, las ondas electrónicas en la punta y la muestra se propagan en diferentes direcciones 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 torcer continuamente la punta con respecto a la muestra, la herramienta hace que sus funciones de onda correspondientes también se tuerzan con respecto a la otra.

Una vez que estas funciones de onda coinciden en ambos lados de la interfaz, puede ocurrir túneles.

Por lo tanto, la torsión permite que el QTM mapee cómo la función de onda electrónica depende del momento, de manera similar a la forma en que las traducciones laterales de la punta permiten el mapeo de su dependencia de la posición.

Simplemente saber qué ángulos los electrones cruzan la interfaz proporciona a los investigadores una gran cantidad de información sobre el material sondeado.

De esta manera, pueden aprender sobre la organización colectiva de electrones dentro de la muestra, su velocidad, distribución de energía, patrones de interferencia e incluso las interacciones de diferentes olas entre sí.

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

El equipo de Weizmann ya ha aplicado su microscopio al estudio de las propiedades de varios materiales cuánticos clave a temperatura ambiente y ahora se está preparando para hacer nuevos experimentos a temperaturas de unos pocos kelvins, donde se sabe que algunos de los efectos mecánicos cuánticos más emocionantes tienen lugar.

Mirar tan profundamente en el mundo cuántico puede ayudar a revelar verdades fundamentales sobre la naturaleza.

En el futuro, también podría tener un tremendo efecto en las tecnologías emergentes.

El QTM proporcionará a los investigadores acceso a un espectro sin precedentes de nuevas interfaces cuánticas, así como nuevos “ojos” para descubrir fenómenos cuánticos dentro de ellas.

Fuente: Weizmann