La detección magnética llega a la escala atómica
Científicos del Centro de Física de Materiales (País Vasco) y diversas universidades han logrado una precisión sin precedentes en la detección magnética a escala atómica colocando un diminuto imán molecular en la punta de un microscopio de efecto túnel. El avance facilitará las investigaciones y el desarrollo de dispositivos en esta escala tan pequeña.
Ilustración del imán molecular en la punta del microscopio. Colores de los átomos: cobre (Cu, naranja), carbono (C, gris), hidrógeno (H, blanco) y níquel (Ni, verde). / CFM
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 recuerdan a un diminuto y ultrapreciso 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 colocados en una superficie de apoyo.
Ahora un equipo internacional, del que forman parte los investigadores Nicolás Lorente y Roberto Robles del Centro de Física de Materiales (CFM, centro mixto UPV/EHU–CSIC), ha alcanzado una precisión sin precedentes en la detección magnética a escala atómica usando uno de estos microscopios, en concreto uno de efecto túnel, que permite tomar imágenes de superficies a esa pequeñísima escala.
La punta del microscopio se hace sensible a los momentos magnéticos colocando un imán molecular con un único átomo de níquel en el ápice
“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 Lorente.
Los principios básicos de estos microscopios se desarrollaron ya en 1980, pero ha sido en la última década cuando la comunidad científica ha aprendido a ampliar sus capacidades mediante 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, de tal forma que la flexibilidad de la molécula hace visibles incluso los enlaces químicos.
De forma similar, los autores 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.
Los investigadores del CFM Nicolas Lorente (también del Donostia International Physics Center - DIPC) y Roberto Robles.
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. A 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.
Triple importancia y aplicaciones
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.
Segundo, la técnica no es destructiva ya que las interacciones son muy débiles. Y 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, es decir, se vuelven accesibles.
Según los investigadores, con este trabajo la comunidad científica ha ampliado su caja de herramientas a escala nanométrica 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, además de ayudar a comprender mejor las estructuras a escala atómica.
En el estudio, que es publica esta semana en la revista Science, también participan científicos de las universidades de Estrasburgo y la Sorbona (Francia), Jülich y Aachen (Alemania) y Nacional de Rosario (Argentina).
Referencia bibliográfica:
“Atomic-scale spin sensing with a single molecule at the apex of a scanning tunneling microscope”. B. Verlhac, R. Robles, N. Lorente et al. Science, 1 de noviembre de 2019
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