Una máquina para seguir los electrones

Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana han desarrollado una nueva máquina que puede revelar cómo se comportan los electrones dentro de un objeto de dimensiones nanométricas. Es el reino del nanómetro (la milmillonésima parte de un metro) y el picosegundo (la billonésima parte del segundo). Los resultados de las pruebas iniciales realizadas en puntos cuánticos piramidales de arseniuro de galio se han presentado en la revista Nature.

Situado detrás de una llamativa cortina negra, el aparato no es especialmente imponente y tampoco parece caro, explican los investigadores. Sin embargo, esta máquina del laboratorio de optoelectrónica cuántica constituye una combinación de tecnologías, ha estado perfeccionándose durante cuatro años y representa una inversión de más de un millón de francos suizos (666.666 euros).

Los científicos esperan que el aparato mejore la comprensión de las fuerzas dinámicas que rigen el mundo a la escala de los nanómetros y permita, por ejemplo, evaluar los componentes elementales de los computadores cuánticos, las puertas lógicas cuánticas y las fuentes de fotones para criptografía cuántica.

Incluso las técnicas más avanzadas se encuentran con límites cuando se aplican a la nanoescala, recuerda la institución, ya que, o bien tienen buena resolución espacial (decenas de nanómetros o menos) o una resolución temporal ultrarrápida (hasta los picosegundos), pero no ambas. La máquina desarrollada por Benoit Deveaud-Pledran y sus colegas de la escuela es la primera herramienta que puede seguir el paso de un electrón en una nanoestructura, aseguran los investigadores. La escala de tiempo es de 10 picosegundos, y la resolución espacial, de 50 nanómetros. Lo que han hecho los científicos es reemplazar el filamento del cañón de electrones estándar de un microscopio electrónico comercial por un fotocátodo de oro de 20 nanómetros de espesor. El oro se ilumina con un láser de ultravioleta, lo que genera un haz de electrones que pulsa 80 millones de veces por segundo. Cada pulso contiene menos de 10 electrones. Éstos excitan la muestra, lo que hace que emita luz. La información espectroscópica es recogida y analizada para recrear la forma de la superficie y marcar el camino de los electrones a través de la muestra.

Deveaud-Pledran y sus colegas probaron su nueva máquina en puntos cuánticos piramidales. Estos nanoobjetos, de dos micras de altura, contienen varias nanoestructuras diferentes, lo que les convierte en muestras ideales para su estudio. Cuando el haz de electrones choca con la pirámide, los electrones se difunden hasta la nanoestructura más cercana. Desde allí, la difusión continúa hasta que se alcanza el punto de menor energía: el punto cuántico en la base de la pirámide.

La máquina permitirá excitar materiales que no son excitados con láser. "Con un láser no se puede conseguir una longitud de onda lo suficientemente corta como para excitar el diamante o el silicio, por ejemplo. Esta máquina sí lo puede hacer", ha declarado Deveaud-Pledran. "Si recordamos los primeros reproductores de CD portátiles, consumían cuatro baterías AA en la lectura de un solo disco. Hemos mejorado nuestra comprensión de la física de materiales y ahora consumen 50 veces menos energía. En el nanomundo no comprendemos todavía la dinámica de los materiales. No se puede decir exactamente adónde nos llevará esta máquina porque dependerá de quién la use y de lo que encontremos. Pero no cabe duda de que nos hará progresar y que las aplicaciones potenciales son interesantes".