09.03.2020 - University of Leeds

"Cosquillas" un átomo para investigar el comportamiento de los materiales

Los científicos e ingenieros que trabajan en la frontera de la nanotecnología se enfrentan a enormes desafíos. Cuando la posición de un solo átomo en un material puede cambiar las propiedades fundamentales de ese material, los científicos necesitan algo en su caja de herramientas para medir cómo se comportará ese átomo.

Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Leeds, en colaboración con colegas de la Universidad de la Sorbona en París (Francia), ha demostrado por primera vez que es posible desarrollar una técnica de diagnóstico vagamente relacionada con la idea de un diapasón.

Un diapasón produce un tono fijo cuando se le aplica energía, en ese caso, cuando se golpea. Pero si el diapasón se altera de alguna manera, se desafina: el tono cambia.

La técnica que está siendo utilizada por el equipo de investigación implica disparar un haz de electrones a un solo átomo en un sólido. Esa corriente de energía hace que él y los átomos que lo rodean vibren.

Esto crea una huella de energía vibratoria única, similar al tono fijo de un diapasón, que puede ser registrada por un microscopio electrónico. Pero si una impureza de un solo átomo está presente, otro elemento químico, por ejemplo, la huella de energía vibratoria de esa impureza cambiará: el material "sonará" diferente en este lugar preciso.

La investigación abre la posibilidad de que los científicos puedan monitorear los materiales en busca de impurezas atómicas.

Los hallazgos, Single Atom Vibrational Spectroscopy in the Scanning Electron Microscope, se publican en la revista Science.

Quentin Ramasse, Profesor de Microscopía Electrónica Avanzada en Leeds, quien dirigió el proyecto, dijo: "Ahora tenemos pruebas directas de que un solo átomo "extraño" en un sólido puede cambiar su propiedad vibratoria a escala atómica.

"Esto se ha predicho durante décadas, pero no ha habido ninguna técnica experimental para observar directamente estos cambios vibratorios. Hemos sido capaces de mostrar por primera vez que se puede registrar la firma de ese defecto con precisión atómica."

Los investigadores utilizaron el Laboratorio SuperSTEM, la Instalación Nacional de Investigación del Reino Unido para la Microscopía Electrónica Avanzada, apoyada por el Consejo de Ingeniería e Investigación Física (EPSRC).

La instalación alberga algunas de las instalaciones más avanzadas del mundo para la investigación de la estructura atómica de la materia, y funciona bajo los auspicios de un consorcio académico dirigido por la Universidad de Leeds (que también incluye a las Universidades de Oxford, York, que participaron en este proyecto, así como a las de Manchester, Glasgow y Liverpool).

Los científicos localizaron un solo átomo de impureza de silicio en un gran cristal de grafeno (una forma de carbono de un solo átomo de espesor) - y luego enfocaron el haz de su microscopio electrónico directamente sobre ese átomo.

El profesor Ramasse dijo: "Lo estamos golpeando con un haz de electrones, que hace que el átomo de silicio se mueva o vibre, absorbiendo parte de la energía del haz de electrones entrante en el proceso - y estamos midiendo la cantidad de energía que está siendo absorbida".

La animación ilustra esquemáticamente cómo vibra el silicio, y cómo esa vibración comienza a afectar a los átomos vecinos, y está inspirada en los extensos cálculos teóricos del equipo del Dr. Guillaume Radtke de la Universidad de la Sorbona, que colaboró en este proyecto.

"La respuesta vibratoria que observamos es única en la forma en que este átomo de silicio en particular se encuentra dentro de la red de grafeno", añadió el Dr. Radtke. "Podríamos predecir cómo su presencia perturbaría la red de átomos de carbono circundante, pero estos experimentos representan un verdadero logro técnico porque ahora somos capaces de medir con precisión atómica un cambio tan sutil".

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