Logran “reprogramar” materiales al cambiar rápidamente la distribución de sus átomos

Han pasado 37 años desde que se demostró por vez primera vez la capacidad de mover átomos individuales y que era científicamente posible diseñar materiales átomo por átomo para personalizar sus propiedades.

En aquella célebre demostración de 1989, unos investigadores de la empresa IBM utilizaron un microscopio de efecto túnel para colocar 35 átomos en la superficie de un cristal enfriado y formar con ellos la palabra "IBM". Fue la primera vez que se posicionaron átomos con toda precisión. El logro abrió la puerta a manipular objetos de tal manera que se pudieran introducir en ellos a voluntad rasgos específicos ("defectos") a escala atómica, como por ejemplo una vacante (la falta de un átomo en la estructura cristalina). Esto a su vez abrió la puerta a notables avances en ciencia cuántica.

Hoy en día existen varias técnicas que permiten a los investigadores mover átomos individuales para dotar a los materiales de propiedades cuánticas exóticas y ampliar los conocimientos científicos sobre el comportamiento cuántico.

Pero las técnicas existentes solo pueden mover átomos a través de la superficie de los materiales en dos dimensiones. La mayoría también requiere procesos extremadamente lentos y condiciones de laboratorio de alto vacío y temperaturas ultrabajas.

Ahora, unos científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (dependiente del Departamento de Energía de Estados Unidos) y otras instituciones han desarrollado un método para mover con precisión decenas de miles de átomos individuales dentro de un material, en cuestión de minutos y a temperatura ambiente.

La nueva técnica utiliza un sofisticado conjunto de algoritmos para dirigir un haz de electrones hacia el átomo escogido con una precisión de unos pocos picómetros.

El movimiento del haz al transportar los electrones, una trayectoria oscilante ideada por los investigadores, es capaz de desplazar columnas enteras de átomos a nuevas posiciones de forma similar a como se mueven cosas en la pantalla de un teléfono móvil al deslizar el dedo por ella.

Esta nueva técnica utiliza un sofisticado conjunto de algoritmos para dirigir un haz de electrones hacia el átomo escogido, con una precisión de unos pocos picómetros. (Imagen: equipo de investigación y desarrollo / MIT. CC BY-NC-ND 3.0)

En sus experimentos, el equipo, encabezado por Julian Klein del MIT, utilizó esta nueva técnica para dirigir el movimiento de columnas de átomos de cromo en un material semiconductor, utilizando un cristal de aproximadamente 13 nanómetros de espesor. El haz creó vacantes del tamaño de un átomo en el material, con cada vacante emparejada con el átomo desplazado, a fin de dotar al cristal de las propiedades cuánticas deseadas.

Para demostrar la velocidad de su método, los investigadores crearon más de 40.000 defectos en aproximadamente 40 minutos.

Esta técnica ofrece una nueva forma de estudiar el comportamiento cuántico en materiales. También podría conducir en el futuro a mejoras en sistemas que aprovechan los defectos cuánticos, como por ejemplo las computadoras cuánticas.

Klein y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nuevo método para reprogramar materiales en la revista académica Nature, bajo el título “Mesoscale atomic engineering in a crystal lattice”. (Fuente: NCYT de Amazings)