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Los científicos se esfuerzan por diseñar las propiedades de las nanoestructuras, como los átomos y las moléculas, para crear dispositivos lógicos eficientes que puedan funcionar a la escala fundamental de la materia: la escala de los átomos. Para hacer posible la "ingeniería" a esa escala, los investigadores tienen que ser capaces de observar la estructura interna de un átomo, la llamada estructura orbital, donde los electrones están confinados en una serie de conchas.
En un estudio publicado esta semana en ACS Nano, la investigación dirigida por el QNS logró un resultado sin precedentes: identificar cómo se distribuyen los electrones entre los orbitales de los átomos y las nanoestructuras. Utilizando generadores de rayos X de alto nivel, llamados sincrotrones, situados en España, Suiza y Corea, el equipo identificó un método para distinguir las propiedades de sus electrones en función de su orbital.
"No estábamos seguros de que pudiéramos tener la suficiente sensibilidad para sondear todos estos orbitales atómicos individualmente en estructuras tan pequeñas", afirma el profesor Fabio Donati, investigador principal del QNS. "Este resultado ha demostrado ser una nueva forma de revelar el comportamiento de estos átomos y posiblemente guiar la ingeniería de sus propiedades para realizar futuros dispositivos a escala atómica".
Para este estudio, los investigadores se centraron en los elementos lantánidos, la fila adicional de la parte inferior de la tabla periódica. Estos elementos se investigan actualmente como posibles imanes a escala atómica para realizar bits clásicos o cuánticos para futuros dispositivos de almacenamiento lógico y de memoria. Poder utilizarlos con este fin podría permitir que la tecnología funcione a la escala más pequeña disponible, ofreciendo un enorme potencial en términos de miniaturización.
Una característica única de estos elementos es que sus electrones más importantes, es decir, los que proporcionan la mayor parte de la magnetización del átomo, están localizados en orbitales específicos (llamados 4f) que están ocultos en lo más profundo de los átomos. Por tanto, es difícil utilizar una corriente eléctrica para detectarlos, lo que podría crear problemas para su integración en dispositivos electrónicos.
Los científicos intentan determinar si los electrones de orbitales más externos y accesibles eléctricamente pueden utilizarse como canal de lectura en lugar de los electrones más ocultos. "Necesitábamos encontrar una técnica que permitiera medir los electrones de estos átomos, literalmente orbital por orbital, para averiguar la forma en que cooperan y contribuyen a las propiedades magnéticas del átomo", explica la Dra. Aparajita Singha, que comenzó la investigación como posdoctoral en el QNS y ahora dirige un grupo en el Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido.
El experimento se realizó utilizando temperaturas muy bajas (-270 C) para mantener los átomos de lantánidos "congelados" en su sustrato de soporte, que es una película de óxido de magnesio. Fue necesario utilizar campos magnéticos muy elevados -100.000 veces más fuertes que el campo magnético de la Tierra- para magnetizar los átomos de lantánidos y medir las propiedades de sus electrones. Los investigadores utilizaron los rayos X para golpear los electrones muy cerca del núcleo y excitarlos a los orbitales objetivo que querían detectar. "Aunque se sabía que este método funcionaba en cristales compuestos por una gran colección de átomos, la posibilidad de medir orbitales individuales en átomos aislados era una gran incógnita", declaró Donati. "Pueden imaginar lo emocionante que fue ver los primeros datos que aparecían en la pantalla durante las mediciones. Sólo entonces nos dimos cuenta de que no había ninguna teoría preparada para explicar nuestros resultados. Todavía quedaba mucho trabajo por hacer".
En comparación con la fase de recogida de datos, que sólo requirió unas pocas semanas de mediciones, el análisis y el desarrollo de un modelo interpretativo mantuvieron ocupados a los científicos durante varios meses. Utilizando esta combinación de experimento y teoría, los investigadores pudieron identificar cómo se distribuían los electrones entre los orbitales atómicos. "Creemos que conocer la estructura de estos átomos, orbital por orbital, proporcionará nuevas direcciones para diseñar las propiedades de futuros dispositivos, como los ordenadores cuánticos y los discos duros magnéticos ultradensos", concluyó Donati.
Fuentes, créditos y referencias:
Aparajita Singha et al, Mapping Orbital-Resolved Magnetism in Single Lanthanide Atoms, ACS Nano (2021). DOI: 10.1021/acsnano.1c05026
Imágen: Representación esquemática de los pares virtuales electrón-positrón que aparecen al azar cerca de un electrón (en la parte inferior izquierda). Crédito: RJHall/Wikipedia
Vídeo: Las transiciones de rayos X pueden utilizarse para detectar orbitales específicos en átomos de lantánidos en superficies y trazar un mapa de su configuración electrónica y de espín. En la figura, un átomo de gadolinio (Gd) unido a una lámina de óxido de magnesio (MgO) recibe un impacto de rayos X. Crédito: IBS Center for Quantum Nanoscience