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(noticias nanowerk) Cuando lanzas una pelota al aire, puedes transferir cualquier cantidad de energía a la pelota, haciéndola volar más alto o más bajo. Una de las rarezas de la física cuántica es que las partículas, como los electrones, a menudo solo pueden adquirir valores de energía cuantificados, como si la pelota estuviera saltando entre ciertas alturas como los escalones de una escalera, en lugar de volar continuamente.
Los qubits y los ordenadores cuánticos, así como los puntos cuánticos emisores de luz (Premio Nobel 2023), utilizan este principio. Sin embargo, los niveles de energía electrónica pueden modificarse mediante colisiones con otros electrones o átomos. Los procesos en el mundo cuántico tienen lugar principalmente a nivel atómico y además son increíblemente rápidos.
Utilizando un nuevo tipo de microscopio ultrarrápido, un equipo de Ratisbona ha logrado observar directamente con resolución atómica en escalas de tiempo ultrarrápidas cómo la energía de un electrón se coordina con las vibraciones de los átomos circundantes. Sorprendentemente, también pudieron controlar este proceso de forma específica. Estos descubrimientos podrían ser cruciales para el desarrollo de tecnologías cuánticas ultrarrápidas.
Informan sus resultados en física natural (“Espectroscopia de efecto túnel de barrido ultrarrápido a escala atómica de una única vacante en un cristal monocapa”).
![Un nivel de energía discreto de una brecha atómica en un material atómicamente delgado se desplaza cuando se excita una vibración similar a la de un tambor.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64849_1.jpg)
Utilizando un material atómicamente delgado, los físicos examinaron cómo cambia un nivel de energía discreto a medida que esta capa de átomos se mueve hacia arriba y hacia abajo como la membrana de un tambor. Observaron esto en una vacante: el espacio que queda cuando se elimina un solo átomo. Estos cristales bidimensionales, atómicamente delgados, conocidos por sus propiedades electrónicas versátiles y personalizables, son particularmente interesantes para la nanoelectrónica del futuro.
Las vacantes en un cristal son candidatos prometedores para los qubits, los portadores de información elemental de las computadoras cuánticas, porque, como los átomos, tienen niveles de energía electrónica discretos. Los investigadores descubrieron que podían cambiar un nivel de energía discreto del defecto provocando una vibración similar a un tambor de la membrana atómicamente delgada: el movimiento atómico de los átomos circundantes cambia, controlando el nivel de energía de la brecha.
Para realizar este descubrimiento innovador, los investigadores tuvieron que superar varios obstáculos. Para observar niveles de energía atómicamente localizados y su dinámica, se requiere una resolución atómica de 1 angstrom (1 Å = 0,000 000 000 1 m). Además, el movimiento en el nanomundo es extremadamente rápido.
«Para rastrear cómo cambia un nivel de energía, es necesario tomar instantáneas estroboscópicas del nivel de energía, y cada instantánea se registra en menos de una billonésima de segundo, más rápido que los picosegundos (1 ps = 0,000 000 000 001 s)», explica autora principal Carmen Roelcke.
El equipo dirigido por Carmen Roelcke, Lukas Kastner y Yaroslav Gerasimenko superó todos estos desafíos utilizando un método complejo que utiliza la energía y la resolución espacial de un microscopio de efecto túnel. Al mismo tiempo, el uso de pulsos láser ultracortos hechos a medida permite registrar la dinámica extremadamente rápida en cámara lenta. La combinación de conocimientos de los grupos de Jascha Repp y Rupert Huber creó la sinergia crucial para la espectroscopia ultrarrápida necesaria a escala atómica.
“Con nuestro novedoso enfoque podemos descifrar el movimiento estructural de la membrana del tambor atómico y el cambio en el nivel de energía localizado en cámara lenta”, resume Yaroslav Gerasimenko en la publicación. Los cálculos ab initio de Maximilian Graml y Jan Wilhelm explican de manera concluyente cómo se mueven los átomos en la capa atómicamente delgada durante la oscilación y cómo esto puede influir en los niveles de energía discretos.
El trabajo del equipo de Ratisbona presagia una nueva era en la investigación de la dinámica de los niveles de energía atómicamente localizados y su interacción con el medio ambiente. Este descubrimiento permite el control local de niveles de energía discretos de la forma más directa. Por ejemplo, el movimiento de átomos individuales podría cambiar la estructura energética de un material y así crear nuevas funcionalidades o cambiar específicamente las propiedades de los semiconductores y moléculas emisores de luz.
Basándose en una combinación sin precedentes de resolución extrema de espacio, tiempo y energía, está a nuestro alcance una comprensión más profunda de procesos fundamentales como la interacción local de los electrones con las vibraciones de la red. Además, este enfoque podría ayudar a descubrir los secretos de procesos importantes detrás de las transiciones de fase, como la superconductividad de alta temperatura, que aún no se comprenden.
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