La microscopía en el límite del espacio-tiempo

Muchas tecnologías futuras, desde la tecnología verde y las tecnologías cuánticas hasta la electrónica de alto rendimiento para la inteligencia artificial, requieren una comprensión precisa de cómo funciona la materia a nivel microscópico: cómo se producen las reacciones químicas, cómo interactúa la luz con la materia y cómo se mueven los electrones a través de los componentes electrónicos. Las imágenes fijas de alta resolución de los componentes microscópicos de la materia no son suficientes para ello; se necesitan, más bien, vídeos a cámara lenta y resueltos en el tiempo del nanocosmos.

En el Centro de Nanoscopia Ultrarrápida de Ratisbona (RUN) se desarrollan y utilizan microscopios ultrarrápidos para capturar directamente el movimiento de electrones, átomos y moléculas en vídeos microscópicos a cámara lenta con la mayor resolución espacial y temporal posible. Hace diez años, en Ratisbona, se logró resolver por primera vez el movimiento de una sola molécula en el espacio y el tiempo mediante microscopía de efecto túnel ultrarrápida. En comparación con los átomos y las moléculas, a esta escala de longitud los electrones se mueven mil veces más rápido, es decir, en escalas de tiempo de attosegundos. Los órdenes de magnitud son extremos: un átomo es unas diez millones de veces más pequeño que un milímetro, y un attosegundo es una milmillonésima de una milmillonésima de segundo. Así pues, la relación entre un attosegundo y un segundo es la misma que la que existe entre un segundo y la edad del universo. Lo que resulta especialmente fascinante es que el movimiento de los electrones no obedece a las leyes de la mecánica clásica, sino a las extrañas reglas de la física cuántica.

Para lograr un aumento correspondiente de la resolución temporal en comparación con experimentos anteriores y para obtener imágenes directas y controlar la dinámica cuántica de electrones individuales, los investigadores desarrollaron un nuevo sistema láser. Mediante sus pulsos láser, controlan el movimiento de los electrones en estas escalas de tiempo extremas de tal manera que los electrones se transfieren desde una punta metálica de precisión atómica a una superficie de plata a lo largo de una distancia de tan solo unos pocos diámetros atómicos. Estos movimientos de los electrones se miden como corriente, y la información temporal se obtiene utilizando dos pulsos de luz.

Simon Maier, autor principal del artículo, explica: «Al variar el intervalo de tiempo entre los dos pulsos láser, podemos observar directamente cómo responden los electrones». El movimiento de los electrones observado de esta manera presenta características en escalas de tiempo de attosegundos, lo que significa que los pulsos de luz pueden transferir electrones en estas escalas de tiempo, y es posible observar cómo lo hacen. Lo que hace que esto sea especial es que los electrones no se mueven como partículas clásicas. Más bien, como ondas cuánticas, los electrones penetran la barrera energética entre la punta y la muestra, para lo cual, según las leyes de la física clásica, en realidad no poseen suficiente energía. La «atravesan» por efecto túnel, como si pasaran a través de una pared maciza sin destruirla. «Nuestra medición puede entenderse como una cámara de alta velocidad para los paquetes de onda de electrones, ya que permite ver en qué momento exacto tiene lugar el proceso de efecto túnel», explica Katharina Glöckl, estudiante de doctorado y coautora de la publicación.

Para comprender mejor la dinámica microscópica de los electrones en el «límite espacio-temporal», el grupo del profesor Ángel Rubio llevó a cabo complejas simulaciones cuánticas. Los cálculos explican los resultados experimentales con una precisión notable. También muestran que el electrón no sigue al campo de luz de forma inmediata, sino con un minúsculo retraso de 500 attosegundos.

En esta región fronteriza de las escalas espaciales y temporales más pequeñas, los límites físicos fundamentales de la física cuántica se hacen evidentes en múltiples niveles. El efecto de los pulsos láser, por ejemplo, no puede atribuirse claramente ni al modelo ondulatorio ni al fotónico de la luz, sino que presenta características de ambos —y esto es precisamente lo que permitió a los investigadores adentrarse tan profundamente en el «límite espacio-temporal». Cuando los electrones son desplazados por pulsos de luz en escalas de tiempo tan cortas, esto tiene consecuencias complejas para la distribución espacial de los electrones, que en mecánica cuántica se describen como paquetes de onda.

Raffael Spachtholz, también coautor del artículo, explica: «Cuanto más precisamente queramos determinar la posición del electrón en el tiempo, más energía tendremos que aportar. Y, como resultado, el paquete de onda del electrón se extiende más espacialmente». El equipo investigó esta relación utilizando un único átomo colocado en la superficie para confinar los paquetes de onda de los electrones a nivel atómico justo antes de que llegaran los pulsos de luz. Esto les permitió determinar directamente la relación entre la dispersión espacial y temporal de los paquetes de onda de los electrones. Afortunadamente, a pesar de la fuerte excitación, los paquetes de onda de los electrones siguen estando definidos espacialmente con la nitidez suficiente para permitir una microscopía con resolución atómica en escalas de tiempo de attosegundos.

Con este último avance, el equipo está ampliando los límites de una restricción espaciotemporal de las funciones de onda electrónicas de la mecánica cuántica —que hasta ahora solo se sospechaba vagamente—, con el fin de investigar sistemáticamente por primera vez cómo la dinámica temporal de los electrones da forma a la estructura espacial de su función de onda. Esto también abre posibilidades de aplicación totalmente nuevas. Por ejemplo, la transferencia de un electrón a una molécula corresponde a la transferencia de carga más pequeña posible; sin embargo, si el electrón queda confinado en un volumen espacio-temporal minúsculo, esto se traduce en densidades de corriente máximas locales extremadamente elevadas, de hasta un billón de amperios por centímetro cuadrado. «En el futuro, queremos utilizar estos paquetes de onda para desencadenar específicamente reacciones químicas y observar, en las escalas de longitud y tiempo pertinentes, cómo se pueden romper o alterar los enlaces químicos», explica con entusiasmo el profesor Jascha Repp. «A largo plazo, los conocimientos adquiridos también podrían contribuir a que la electrónica y el procesamiento de información cuántica funcionen al límite de velocidad intrínseco del propio movimiento de los electrones —cientos de miles de veces más rápido que la tecnología CMOS, que es la dominante en la actualidad», añade el profesor Rupert Huber. Los dos responsables del proyecto coinciden en que las posibles aplicaciones de los electrones en el límite espacio-temporal están limitadas ahora más por la imaginación humana que por la naturaleza.