Sensores cuánticos nanométricos para estudiar la física ‘invisible’

Utilizar un solo átomo para capturar imágenes de alta resolución de material a nanoescala puede sonar a ciencia ficción, pero eso es exactamente lo que ha logrado el Grupo de Imágenes y Detección Cuántica de la Universidad de California en Santa Bárbara (EE.UU.).

Los miembros del laboratorio de la física Ania Jayich han trabajado durante dos años para desarrollar una tecnología radicalmente nueva de sensores con una resolución espacial a escala nanométrica y sensibilidad exquisita. Sus hallazgos aparecen en la revista Nature Nanotechnology.

«Esta es la primera herramienta de este tipo», dice Jayich en la información de la universidad. «Opera desde temperatura ambiente hasta temperaturas bajas, donde sucede una gran cantidad de la física más interesante. Cuando la energía térmica es suficientemente baja, los efectos de las interacciones de los electrones, por ejemplo, se convierten en observables, conduciendo a nuevas fases de la materia. Y ahora podemos investigarlas con una resolución espacial sin precedentes».

Bajo el microscopio, el singular sensor cuántico se asemeja a un cepillo de dientes. Cada «cerda» contiene un único cristal de diamante nanofabricado sólido, con un defecto especial, un centro nitrógeno-vacante (NV), ubicado en la punta. Consiste en que, en lugar de dos átomos adyacentes de carbono, hay un átomo de nitrógeno, que permite la detección de propiedades específicas de los materiales, en particular el magnetismo. Estos sensores se fabricaron en la sala blanca del Servicio de Nanofabricación de la UCSB.

El equipo optó por obtener una imagen de un material superconductor relativamente bien estudiado que contiene estructuras magnéticas llamados vórtices: regiones localizadas de flujo magnético. Con su instrumento, los investigadores fueron capaces de obtener imágenes de los vórtices individuales.

«Nuestra herramienta es un sensor cuántico porque se basa en la rareza de la mecánica cuántica», explica Jayich. «Pusimos el defecto NV en una superposición cuántica, en la que puede estar en un estado u otro -que desconocemos- y luego dejamos que el sistema evolucionara en presencia de un campo y lo medimos. Esta incertidumbre de la superposición es la que permite que la medición se produzca».

Temperatura

Tal comportamiento cuántico se asocia a menudo con los entornos de baja temperatura. Sin embargo, el instrumento cuántico especializado del grupo opera a temperatura ambiente, y hasta los 6º Kelvin (-267º centígrados, cerca del 0 absoluto), por lo que es muy versátil, singular y capaz de estudiar diversas fases de la materia y las transiciones de fase asociadas.

«Una gran cantidad de otras herramientas de microscopía no tienen ese rango de temperatura», explica Jayich. «Otros puntos destacados de nuestra herramienta son su excelente resolución espacial, gracias al hecho de que el sensor comprende un solo átomo. Además, su tamaño hace que sea no invasivo, lo que significa que afecta mínimamente a la física subyacente en el sistema».

El equipo está actualmente obteniendo imágenes de skyrmions magnéticos -cuasi-partículas con configuraciones magnéticas similares a las de los vórtices- con inmenso atractivo para el futuro almacenamiento de datos y tecnologías de espintrónica.

Aprovechando la resolución espacial a nanoescala de su instrumento, su objetivo es determinar la fuerza relativa de las interacciones que compiten en la materia que dan lugar a los skyrmions. «Hay una gran cantidad de diferentes interacciones entre átomos y hay que entenderlas todas antes de poder predecir cómo se comportará el material», dice Jayich.

«Si se obtiene una imagen del tamaño de los dominios magnéticos del material y cómo evolucionan en pequeñas escalas de longitud, eso da información sobre el valor y la fuerza de estas interacciones», añade. «En el futuro, esta herramienta va a ayudar a comprender la naturaleza y la fuerza de las interacciones en los materiales que luego dan lugar a nuevos estados y fases de la materia interesantes, que son interesantes desde el punto de vista de la física fundamental, pero también desde el de la tecnología.»

Referencia bibliográfica:

Matthew Pelliccione, Alec Jenkins, Preeti Ovartchaiyapong, Christopher Reetz, Eve Emmanouilidou, Ni Ni, Ania C. Bleszynski Jayich: Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenic temperatures with a single-spin quantum sensor. Nature Nanotechnology (2016). DOI: 10.1038/nnano.2016.68.