Científicos españoles logran filmar el movimiento de 15 átomos individuales

El problema para ver los átomos de uno en uno en acción es que tienen movimientos o demasiado rápidos o demasiado lentos para que un microscopio sea capaz de fijarse en ellos y vigilar sus desplazamientos. Unos científicos españoles lo han logrado, siguiendo por primera vez y durante horas el movimiento de átomos individuales, un puñado de ellos, sobre una superficie de silicio. Con un microscopio de efecto túnel y un sistema electrónico especialmente diseñado para el experimento, han filmado durante diez horas a 15 átomos de plomo y, por si fuera poco, han descubierto que su movimiento es totalmente inesperado.Arturo Baró, José María Gómez Rodríguez y Juan José Sáenz, de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), van a dar a conocer estos logros en la revista Physical Review Letters. Otros temas como difusión de los átomos y los efectos macroscópicos centran su principal interés, pero ellos creen que la industria electrónica o los biólogos deseosos de estudiar átomos individuales en las moléculas pueden estar muy interesados en este espectacular avance de la microscopía.

Símil

Para explicar el movimiento de los átomos que han presenciado, Baró, Gómez y Sáenz han ideado un símil en el que los átomos de plomo serían canicas y el soporte de silicio sería una huevera. "Echas unas canicas a la huevera y caen en algunos huecos, mientras que otros quedan vacíos. La huevera vibra y las canicas empiezan a moverse dentro de cada hueco hasta que, de repente, una salta al hueco de al lado, que puede estar vacío u ocupado por otra bolita, en cuyo caso forman una pareja que se mueve mucho más despacio", dice Sáenz. "Hasta ahora se habían visto átomos quietos o casi quietos, a temperaturas muy bajas, próximas al cero absoluto; lo normal es que se muevan tan deprisa que no hay forma de verlos", comenta Baró.Con los datos tomados mediante el microscopio de efecto túnel, este equipo ha preparado una secuencia de imágenes: en la pantalla del ordenador se distinguen las celdillas del soporte de silicio, un mosaico de triángulos que serían los huecos de la huevera. Algunos se ven borrosos, "son los átomos, las canicas, moviéndose muy deprisa (unas 10.000 oscilaciones por segundo), dentro de una celdilla", explica Baró. De repente, una de esas nubes borrosas desaparece y aparece en otra celdilla, es un átomo que ha saltado. Unas parejas de lunares blancos, mejor definidos debido a un movimiento mucho más lento, se van formando cuando una nube borrosa salta a un hueco ocupado por otra y forman una pareja de átomos de plomo."No hemos observado ningún salto de pareja, pero hemos visto formarse tríos cuando un átomo salta a una celdilla ocupada ya por un par", comenta Gómez. "La secuencia más prolongada que hemos hecho duró 10 horas siguiendo a los mismos 15 átomos, pero en total han sido unas 200 horas de experimento", continúa, y reconoce que todavía no tienen una idea muy clara de qué fuerza de atracción mantiene unidos a estos pares o tríos de átomos. El microscopio de efecto túnel vigilaba una muestra de unas 70 celdillas de silicio, formadas cada una por 24 átomos, en la que brincaban 10 o 15 átomos de plomo depositados por evaporación, dice Gómez. Un microscopio de este tipo no es un juego de lentes ópticas que amplifica la luz reflejada de lo que se quiere ver, sino una punta muy próxima a la muestra a estudiar y un sistema electrónico capaz de calcular exactamente la distancia entre ambas a medida que se recorre el relieve, como un ciego que palpa una superficie con un bastón, sólo que en el microscopio es una corriente eléctrica que circula entre la punta y la nube externa de electrones del átomo.

El truco para presenciar el movimiento de los átomos de plomo está en un dispositivo electrónico desarrollado por los físicos de la UAM que permite corregir en tiempo real la posición del microscopio respecto a la muestra. "Es como espiar a 15 individuos en una plaza con una cámara de video", dice Sáenz. "Puedes mantener la panorámica o seguir a uno de ellos a donde vaya".

Efecto túnel

El experimento, realizado en colaboración con los franceses Jean Yves Veuillen y Robert Cinti, se hizo en un centro del CNRS en Grenoble (Francia) con un microscopio de efecto túnel convencional, en un sistema de ultra alto vacío y a temperatura ambiente. La electrónica y el análisis de datos se han hecho en la UAM.La elección del plomo para el trabajo se debe a que se pretendía estudiar metales sobre semiconductores, y ha resultado una opción perfectamente idónea. "Los átomos tienen un movimiento muy rápido de agitación térmica, como los átomos de silicio de la huevera (imperceptible para el microscopio), pero también pueden tener un movimiento, de traslación más lento, como los átomos de plomo observados", explica Baró. "Es lo mismo que el movimiento microscópico y macroscópico, o un coche que parece quieto, aunque todos sus átomos constituyentes están en movimiento, pero qué también puede echar a andar". La perspectiva que ahora se abre de explorar los efectos macroscópicos de los desplazamientos de átomos interesa especialmente a este catedrático de Física.