Han pasado 37 años desde que los científicos demostraron por primera vez la capacidad de mover átomos individuales, sugiriendo la posibilidad de diseñar materiales átomo por átomo para personalizar sus propiedades. Actualmente, existen varias técnicas que permiten a los investigadores mover átomos individuales para otorgar a los materiales propiedades cuánticas exóticas y mejorar nuestra comprensión del 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 ultrafrías.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT, el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU. y otras instituciones ha creado una forma de mover con precisión decenas de miles de átomos individuales dentro de un material en minutos y a temperatura ambiente. El enfoque utiliza un conjunto de algoritmos para posicionar cuidadosamente un haz de electrones en ubicaciones específicas de un material, y luego escanear el haz para provocar movimientos atómicos.

“Los resultados demuestran la capacidad de mover átomos de manera determinista y repetida dentro de la red atómica 3D de un material”, dice Julian Klein, científico investigador del MIT, quien concibió y dirigió el proyecto. “Podemos reprogramar materiales para crear defectos a voluntad, logrando estados de la materia completamente artificiales que no se encuentran en la naturaleza y con un amplio rango de aplicaciones potenciales, incluyendo tecnologías de detección, ópticas y magnéticas. Estas técnicas habilitan muchísimas oportunidades.”

“Es como una fotocopiadora que puede crear columnas de defectos atómicos idénticos”, comenta Frances Ross, profesora TDK de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT. “Es especialmente útil porque puedes mover algunos átomos para formar defectos y hacerlo una y otra vez para construir arreglos atómicos en tres dimensiones que tienen funciones ajustables en un sistema que es más robusto porque los defectos existen debajo de la superficie.”

En un artículo publicado hoy en Nature, los investigadores describen su enfoque y cómo lo usaron para crear más de 40,000 defectos cuánticos en un material semiconductor cristalino.

Los investigadores afirman que el método ofrece una nueva manera de estudiar el comportamiento cuántico en materiales. También podría, en el futuro, llevar a mejoras en sistemas que aprovechan los defectos cuánticos, como computadoras cuánticas, memorias magnéticas densas, dispositivos lógicos a escala atómica y más.

Junto a Klein y Ross participan en el artículo Kevin Roccapriore y Andrew Lupini, investigadores en el Laboratorio Nacional Oak Ridge; Mads Weile, exalumno visitante del MIT; Sergii Grytsiuk, exinvestigador de la Universidad de Radboud; Malte Rösner, profesor en la Universidad de Bielefeld, Alemania; Zdenek Sofer, profesor en la Universidad de Química y Tecnología de Praga, República Checa; Dimitar Pashov, investigador asociado en el King's College de Londres; y Mark van Schilfgaarde y Swagata Acharya, investigadores en el Laboratorio Nacional de las Montañas Rocosas.

Diseñando materia

​En una demostración ya famosa en 1989, investigadores de IBM usaron un microscopio de efecto túnel para acomodar 35 átomos en la superficie de un cristal enfriado y formar las letras “IBM”. Fue la primera vez que se posicionaron átomos con precisión, un hito importante. Este enfoque permitió a los científicos la ingeniería de defectos específicos, como vacantes del tamaño de un átomo y átomos superficiales en materiales cristalinos, lo que llevó a importantes avances en la ciencia cuántica. Sin embargo, acomodar esos 35 átomos les tomó a los investigadores muchas horas, si no días.

En paralelo, los investigadores también desarrollaron dos enfoques adicionales para manipular átomos en vacío, utilizando pinzas ópticas para atrapar átomos neutros y campos eléctricos oscilantes para atrapar iones.

Aunque estos métodos han permitido avances notables, siguen limitados a superficies o sistemas experimentales altamente controlados. Otro factor que limita el diseño de materiales para aplicaciones como computadoras cuánticas es que las técnicas de manipulación atómica no pueden mover átomos en tres dimensiones: los patrones se crean en la superficie de un material, donde están expuestos al entorno y no pueden sobrevivir fuera de laboratorios con condiciones estrictamente controladas.

La ingeniería de materiales utilizables con propiedades cuánticas personalizadas requeriría que los investigadores reorganizaran muchos más átomos, preferentemente en el interior de los materiales. Los investigadores del MIT demostraron esa capacidad en su estudio publicado en Nature.

“Tratábamos de mejorar la cantidad de átomos que podíamos mover en un tiempo razonable”, explica Ross. “Quieres colocar los átomos cerca unos de otros para que puedan interactuar, y quieres tener muchos de ellos dispuestos como desees —miles o millones de átomos en ubicaciones específicas que hayas elegido. Con las técnicas actuales eso ha sido complicado.”

Los investigadores utilizaron microscopios de alto rendimiento en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía para su trabajo. Su nueva técnica emplea un sofisticado conjunto de algoritmos para dirigir un haz de electrones hacia un átomo objetivo con una precisión de unos pocos picómetros (una milésima de milmillonésima de metro). El haz realiza un bucle pequeño para centrarse en el objetivo y luego envía electrones a través del material siguiendo un camino oscilante cuidadosamente diseñado, pasando cerca de un segundo en cada lugar.

“Desarrollamos algoritmos que nos permiten obtener rápidamente información sobre dónde está el haz en el material”, explica Klein. “El truco es usar muy pocos electrones en el proceso para obtener esa información, para que todo el proceso sea rápido y no dañe involuntariamente el cristal. Nos tomó años desarrollar estos algoritmos y determinar la mínima información necesaria para deducir dónde están los átomos con máxima precisión.”

El movimiento del haz mientras administra electrones —una trayectoria oscilante ideada por los investigadores— desplaza columnas enteras de átomos hacia nuevas ubicaciones, de forma similar a cómo se desplaza una pantalla en un teléfono móvil.

En sus experimentos, los investigadores usaron este enfoque para dirigir el movimiento de columnas de átomos de cromo en un material semiconductor estable, bromuro de sulfuro de cromo, con un cristal de aproximadamente 13 nanómetros de grosor. El haz creó vacantes del tamaño de un átomo en el material, cada vacante emparejada con el átomo desplazado, lo que calcularon conferiría al cristal propiedades cuánticas exóticas.

Para demostrar la escalabilidad de su método, los investigadores crearon más de 40,000 defectos en unos 40 minutos, generando vacantes e intersticiales a diferentes distancias y en diversos patrones, calculando que los diferentes arreglos atómicos deberían originar diferentes propiedades mecánicas cuánticas.

“Cada uno de estos defectos tiene ciertas formas de interactuar con sus vecinos”, comenta Ross. “Si los colocas en un patrón, podrías esencialmente simular las interacciones entre los electrones dentro de una molécula, así que toda la estructura electrónica de esa molécula puede, en cierto sentido, ser representada en un patrón que puedes escribir dentro de un material sólido.”

Sondeando sistemas cuánticos

El éxito de este enfoque posiblemente se deba a la forma en que el cromo se une dentro del semiconductor, que posee una estructura electrónica única. Los investigadores están investigando otros cristales donde esto podría funcionar, aunque sospechan que será aplicable a una amplia variedad de materiales.

En los materiales donde funciona, este enfoque tiene varias ventajas sobre las técnicas actuales.

“Mover átomos dentro de sólidos permite la creación de propiedades cuánticas en materiales que son estables al aire fuera de condiciones de vacío,” explica Klein. “Y este método también es escalable a muchas manipulaciones atómicas, por lo que mover miles o millones de átomos para crear estructuras artificiales representaría una física completamente nueva. Nos gustaría estudiar esos sistemas.”

Los investigadores señalan que su técnica sienta las bases para una nueva clase de materia programable, lo que podría ayudar al desarrollo de una gama de dispositivos cuánticos estables.

“Esta es una forma de acceder a fenómenos físicos que involucran muchos átomos colocados en un arreglo específico, lo cual no puede lograrse mediante autoensamblado”, indica Ross. “Puedes crear arreglos atómicos ajustados individualmente, y puedes tener muchísimos de ellos, cada uno dispuesto exactamente como quieres en áreas de decenas o cientos de nanómetros. Eso conduce a una física colectiva que nos emociona explorar.”

El trabajo fue apoyado, en parte, por el Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencia.

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