¿Qué pasaría si una corriente eléctrica ya no fluyera, sino que goteara en su lugar? Esta fue la pregunta investigada por los investigadores que trabajan con Christian Ast en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido. Su investigación consistió en enfriar su microscopio de túnel de exploración hasta quincemilésima de grado por encima del cero absoluto. A estas temperaturas extremadamente bajas, los electrones revelan su naturaleza cuántica. Por lo tanto, la corriente eléctrica es un medio granular, que consiste en partículas individuales. Los electrones gotean a través de un conductor como granos de arena en un reloj de arena, unfenómeno que puede explicarse con la ayuda de la electrodinámica cuántica.
El agua que fluye de un grifo se siente como un medio homogéneo; es imposible distinguir entre las moléculas de agua individuales. Exactamente lo mismo ocurre con la corriente eléctrica. Tantos electrones fluyen en un cable convencional que la corriente parece ser homogéneaAunque no es posible distinguir electrones individuales, la mecánica cuántica dice que deberían existir. Entonces, ¿cómo se comportan? ¿En qué condiciones la corriente no fluye como el agua a través de un grifo, sino que gotea como arena en un reloj de arena?
La analogía del reloj de arena es muy apropiada para el microscopio de túnel de barrido, donde una punta delgada y puntiaguda explora la superficie de una muestra sin tocarla. Sin embargo, una pequeña corriente fluye, ya que existe una ligera probabilidad de que los electrones "tunelen" desdela punta puntiaguda en la muestra. Esta corriente de túnel es una función exponencial de la separación, por lo que la punta puntiaguda se encuentra a solo unos pocos Ångström una décima millonésima parte de un milímetro por encima de la muestra.
Las variaciones mínimas en la corriente de túnel permiten a los investigadores resolver átomos individuales y estructuras atómicas en superficies e investigar su estructura electrónica. Los microscopios de túnel de escaneo son, por lo tanto, algunos de los detectores más versátiles y sensibles en toda la física del estado sólido.
Incluso en estas condiciones extremas, una corriente minúscula de menos de una billonésima parte de la corriente que fluye a través de una bombilla de 100 vatios, todavía fluyen miles de millones de electrones por segundo. Esto es demasiado para discernir electrones individuales. La temperaturase redujo a alrededor de quince milésimas de grado por encima del cero absoluto es decir, a menos 273.135 ° C o 15 mK antes de que los científicos vieran que la corriente eléctrica consiste en electrones individuales.
A esta baja temperatura, en el espectro aparecen estructuras muy finas, que los investigadores no esperaban. "Podríamos explicar estas nuevas estructuras solo suponiendo que la corriente de túnel es un medio granular y ya no es homogénea", dice Ast,quien dirige el grupo que trabaja con el microscopio de túnel de escaneo. Esta es la primera vez que se muestra la naturaleza cuántica completa del transporte electrónico en el microscopio de túnel de escaneo.
Por lo tanto, la carga eléctrica también debe cuantificarse si este fenómeno mecánico cuántico debe explicarse completamente. "La teoría en la que se basa esto se desarrolló a principios de la década de 1990. Ahora que las cuestiones conceptuales y prácticas relacionadas con su aplicaciónpara escanear microscopios de túnel se han resuelto, es agradable ver cómo la teoría y el experimento se unen de manera consistente ", dice Joachim Ankerhold de la Universidad de Ulm, quien contribuyó con la base teórica.
Además de una teoría detallada, los experimentos de este tipo requieren un entorno de laboratorio adaptado que reduce en gran medida las perturbaciones externas. Desde finales de 2012, un nuevo laboratorio de precisión ha estado en funcionamiento en el campus de los Institutos Max Planck enStuttgart; proporciona un entorno de laboratorio casi libre de perturbaciones para experimentos altamente sensibles como el microscopio de túnel de barrido mK.
El instrumento está ubicado en el laboratorio de precisión en una caja equipada con blindaje acústico y electromagnético sobre una base de concreto desacoplada por vibración. "Queremos usarlo para aventurarnos en un territorio nuevo y desconocido, lo cual hicimos con mucho éxito con estoexperimento ", dice Klaus Kern, Director del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido.
Los electrones ya han demostrado su naturaleza cuántica. Como se transportan a través de puntos cuánticos, por ejemplo, el flujo de corriente se bloquea específicamente para que los electrones aparezcan individualmente. Este efecto se hizo evidente en el microscopio de túnel de barrido simplemente enfriándolo a niveles extremadamente bajostemperaturas, sin embargo. "El efecto del túnel definitivamente ha alcanzado el límite cuántico aquí", dice el miembro del equipo Berthold Jäck. Sin embargo, los investigadores no quieren ver esto como una limitación. "Estas temperaturas extremadamente bajas abren una riqueza de detalles inesperada quenos permite comprender la superconductividad y las interacciones de la materia ligera mucho mejor ", dice Christian Ast.
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Materiales proporcionado por Max-Planck-Gesellschaft . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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