Una nueva lente sobre los materiales cuánticos

Imágenes QTM de bandas de energía en el TBG. crédito: naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05685-y

Uno de los aspectos sorprendentes del mundo cuántico es que una partícula, por ejemplo, un electrón, también es una onda, lo que significa que está en muchos lugares al mismo tiempo. En un nuevo estudio, publicado hoy en la naturalezalos investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann están aprovechando esta propiedad para desarrollar un nuevo tipo de instrumento, un microscopio de torsión cuántica (QTM), que puede crear nuevos materiales cuánticos y, al mismo tiempo, indagar en la naturaleza cuántica fundamental de sus electrones.

Los resultados del estudio se pueden utilizar para crear materiales electrónicos con una funcionalidad sin precedentes.

QTM implica «retorcer» o rotar dos capas de material atómicamente delgado entre sí. En los últimos años, esta torsión se ha convertido en una importante fuente de descubrimiento. 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 en un ángulo de giro relativamente pequeño, da como resultado un «sándwich» con nuevas propiedades inesperadas.

El ángulo de torsión resulta ser el factor más importante que controla el comportamiento de los electrones: cambiarlo solo una décima de grado puede convertir un material de un superconductor exótico a un aislante funky. Pero a pesar de su importancia, este parámetro es también el más difícil de controlar en los experimentos. En general, envolver dos capas en un nuevo ángulo requiere construir un nuevo «sándwich» desde cero, lo cual es un proceso muy largo y tedioso.

«Nuestra motivación original era resolver este problema mediante la construcción de una máquina que pudiera deformar continuamente dos materiales entre sí, produciendo una variedad infinita de nuevos materiales», dice el líder del equipo, el profesor Chahal 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 extremadamente poderoso, capaz de ver ondas electrónicas cuánticas en formas que antes eran inimaginables».

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Crear una imagen cuantitativa

Las imágenes han jugado durante mucho tiempo un papel importante en el descubrimiento científico. Los microscopios y los telescopios ópticos proporcionan habitualmente imágenes que permiten a los científicos obtener una comprensión más profunda de los sistemas biológicos y la astrofísica. Por otro lado, tomar fotografías de electrones dentro de materiales ha sido difícil durante muchos años debido a las pequeñas dimensiones involucradas.

Esto cambió hace unos 40 años con la invención del microscopio de efecto túnel, cuyos desarrolladores fueron galardonados con 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 acumular una imagen paso a paso de la distribución de electrones en una muestra.

«Desde esta invención se han desarrollado muchas sondas de exploración 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 pueden identificar indirectamente su longitud de onda», explica el profesor Adi Stern del Instituto Weizmann, coautor del estudio con otros tres físicos teóricos del mismo departamento: el profesor Pengai Yan, Yuval Orig y Erez Berg.

«Resultó que el instrumento que creamos puede visualizar ondas electrónicas cuánticas directamente, brindándonos una forma de revelar las danzas cuánticas que realizan dentro de la materia», dice Stern.

Animación que muestra un microscopio de torsión cuántica en acción. Los electrones hacen un túnel desde la sonda (pirámide invertida en la parte superior) hasta la muestra (abajo) como ondas mecánicas cuánticas (rojo). Crédito: Instituto de Ciencias Weizmann

Detección de electrones en varios lugares a la vez

«El truco para ver las ondas cuánticas es detectar el mismo electrón en diferentes lugares al mismo tiempo», dice Alon Inbar, autor principal del artículo. El Dr. John Birkbeck, otro autor principal, agrega: «La medición es conceptualmente similar al famoso experimento de dos rendijas, que se usó hace un siglo para probar por primera vez que los electrones en la mecánica cuántica tienen una naturaleza ondulatoria». «La única diferencia es que realizamos un experimento de este tipo encima de nuestro microscopio de barrido».

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Para lograr esto, los investigadores reemplazaron la punta atómicamente afilada de un microscopio de efecto túnel con una punta que contenía una capa plana de 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 un túnel en muchos lugares diferentes.

Mecánicamente cuánticamente, hacen túneles en todos los lugares simultáneamente, y los eventos de túneles en diferentes lugares se superponen entre sí. Esta interferencia permite que un electrón haga un túnel solo si sus funciones de onda en cualquier lado de la interfaz son exactamente las mismas. «Para ver un electrón cuántico, tenemos que ser cuidadosos», dice Ilani. Si no le hubiéramos hecho la pregunta grosera, «¿Dónde estás?» Pero, en cambio, le proporcionamos múltiples caminos para cruzar hacia nuestro detector sin que sepamos dónde se cruzan realmente, lo que le permite mantener su naturaleza frágil y ondulada”.

giro y túnel

En general, las ondas de electrones en la punta y la muestra se propagan en diferentes direcciones y, por lo tanto, no coinciden. QTM utiliza su capacidad de deformación para encontrar el ángulo en el que se produce la coincidencia: girando constantemente la punta con respecto a la muestra, el instrumento hace que las funciones de onda correspondientes también giren entre sí. Una vez que estas funciones de onda coinciden en ambos lados de la interfaz, puede ocurrir la tunelización.

Por lo tanto, la torsión permite que el QTM determine cómo la función de onda electrónica depende del impulso, de manera similar a cómo las traslaciones laterales permiten que la punta mapee su dependencia de la posición.

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El simple hecho de conocer los ángulos en los que los electrones cruzan la interfaz proporciona a los investigadores una gran cantidad de información sobre el material que se investiga. De esta forma, pueden aprender sobre la organización colectiva de los electrones dentro de una muestra, su velocidad, distribución de energía, patrones de interferencia e incluso las interacciones de diferentes ondas entre sí.

Un nuevo desarrollo en materiales cuánticos

«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 aplicó su microscopio para estudiar las propiedades de varios materiales cuánticos clave a temperatura ambiente y ahora se está preparando para realizar nuevos experimentos a temperaturas de unos pocos Kelvin, donde se sabe que ocurren algunos de los efectos mecánicos cuánticos más emocionantes.

Mirar profundamente el mundo cuántico puede ayudar a revelar verdades fundamentales sobre la naturaleza. En el futuro, también puede tener un tremendo impacto 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 detectar los fenómenos cuánticos dentro de ellas.

más información:
A. Inbar et al., Microscopía cuántica de torsión, naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05685-y

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