Alcanzada la escala atómica en la detección magnética
Nicolas Lorente eta Roberto Robles
Science 366, 623 (2019)
DOI: 10.1126/science.aax8222
Una molécula en la punta del microscopio de efecto túnel es la clave para alcanzar una precisión sin precedentes de la detección magnética a escala atómica.
Los resultados, publicados hoy (1 de Noviembre) en la prestigiosa revista Science, abren un nuevo camino para obtener información crucial para la comprensión fundamental de las estructuras a escala atómica y para el diseño de futuros dispositivos a escala atómica así como de almacenamiento a nanoescala, o simuladores cuánticos entre otros. Nicolás Lorente, investigador del Centro de Física de Materiales (CFM, centro mixto UPV/EHU –CSIC) y del Donostia International Physics Center (DIPC), y Roberto Robles, también del CFM, son parte del equipo internacional que ha llevado a cabo el trabajo, junto a miembros de las Universidades de Estrasburgo (Francia), y Jülich (Alemania).
Los clásicos microscopios ópticos que utilizan un rayo de luz o de electrones son ciegos e inútiles en la exploración del mundo de los átomos y de las moléculas individuales. En su lugar, se utilizan otras técnicas que pueden ser vistas como una versión diminuta y ultraprecisa de un tocadiscos. Estos instrumentos llamados microscopios de sonda de barrido utilizan el extremo de una aguja afilada como punta para “leer” los surcos creados por los átomos y las moléculas en la superficie de apoyo.
“Para sentir la proximidad entre la punta y la superficie, los científicos utilizamos una pequeña corriente eléctrica que comienza a fluir cuando ambas están separadas por una fracción de millones de milímetros, es decir, un nanómetro. La regulación de la punta para mantener esta distancia permite la obtención de imágenes topográficas mediante el escaneado de la superficie” comenta el Dr. Lorente.
Mientras que los principios básicos de tales microscopios se desarrollaron ya en 1980, sólo durante la última década la comunidad científica ha aprendido a ampliar las capacidades de estos microscopios elaborando diseños inteligentes del extremo de su punta de sondeo. Por ejemplo, uniendo una pequeña molécula, como el monóxido de carbono (CO) o el hidrógeno (H2), se logra un aumento sin precedentes en la resolución espacial, en el que la flexibilidad de la molécula hace visibles incluso los enlaces químicos.
De manera similar, los autores de la reciente publicación en Science, presentan un diseño de la afilada punta que aporta una función novedosa: la hace sensible a los momentos magnéticos. Esto se consigue mediante la colocación de un imán molecular que contiene un único átomo de níquel en el ápice. Esta molécula puede ser llevada eléctricamente a diferentes estados magnéticos que tienen en cuenta la dirección en la que señala el imán molecular. La dirección del imán se puede determinar midiendo la conductancia electrónica en el microscopio. Al modo de una pequeña brújula, la punta molecular reaccionará a la presencia de pequeños campos magnéticos en la superficie medida, cambiando la conductancia del microscopio.
El Dr. Lorente explica qué es un momento magnético
“Es la magnitud del dipolo magnético (del imán) de forma que si los dos dipolos se miran con sus lados norte, se repelen con una fuerza proporcional al producto de los momentos magnéticos, y si se miran con polos opuestos se atraen con la misma magnitud”
La importancia de este logro es triple. En primer lugar, el uso de una molécula como sensor activo hace que sea muy reproducible y fácil de implementar en instrumentos utilizados por otros grupos de todo el mundo que trabajan en este campo. En segundo lugar, la técnica no es destructiva ya que las interacciones son muy débiles. En tercer lugar, el esquema de detección se basa únicamente en propiedades fácilmente observables en la punta del sensor de forma que pequeñísimos imanes atómicos que normalmente son difíciles de medir, se vuelven accesibles.
Con este trabajo la ccomunidad científica ha ampliado su caja de herramientas a nanoescala con una nueva técnica sensible a las propiedades magnéticas que será importante para futuras aplicaciones que van desde dispositivos de memoria a nanoescala hasta nuevos materiales o aplicaciones en el campo de la simulación cuántica y la computación.