Universidad de La Habana

◄ Facultad de Física

Biblioteca virtual  ►

Microscopios y quantum dots

Por Arnaldo González Arias

Figura 1. Listón o cantilever (similar a un trampolín).

Figura 2. Imagen de un cabello tomada con un MFA.

Los microscopios logran hacer visible lo invisible;  aumentan el tamaño aparente de los objetos y permiten observar lo que a simple vista pasaría inadvertido a causa de su pequeñez.

Hasta hace pocos años la única posibilidad era la de utilizar un microscopio óptico, que emplea un complejo sistema de lentes creado con ese fin.  Hoy día esos microscopios son una herramienta de trabajo imprescindible para estudiar tejidos animales o vegetales, revelar la existencia de microorganismos y otras muchas aplicaciones biológicas.  También existen los microscopios metalográficos, que se usan para analizar la superficie de minerales, aleaciones, cerámicas o cualquier otro material. Logran visualizar la microestructura superficial de una muestra, que siempre resulta ser muy diferente de lo que se puede observar a simple vista.

La microscopía electrónica es posterior a la miscroscopía óptica.  Para conseguir el aumento se usa la propiedad que tiene un haz de electrones de comportarse como si fuera un rayo de luz.  Con este microscopio se alcanza un mayor grado de detalle que con el óptico(y también un mayor aumento).  Adicionalmente, posibilita estudios que no son factibles de llevar a cabo con el microscopio óptico.  El microscopio electrónico no usa lentes;  en su lugar emplea  campos electromagnéticos para enfocar el haz de electrones y obtener las imágenes aumentadas de los objetos.

Los microscopios de última generación –los microscopios de fuerza atómica MFA- poco o nada tienen que ver con lentes o campos electromagnéticos.

El antecesor inmediato del MFA, el microscopio de efecto túnel, sólo se puede utilizar en muestras que conduzcan la corriente eléctrica. Por su parte, el MFA permite visualizar cualquier material en un intervalo muy amplio de tamaños, al medir las pequeñísimas variaciones de altura cuando la muestra se recorre con un ‘cantilever’ o viga voladiza microscópica.  El proceso es parecido al de los antiguos tocadiscos, en los que una aguja metálica recorre la ranura del disco plástico para reproducir el sonido. En el MFA una aguja muy fina, ubicada en la punta inferior del cantilever, se desliza continuamente sobre la muestra, cuya posición es controlada por una computadora. Los cambios de altura se detectan mediante un haz láser muy fino, que se refleja en la parte superior del cantilever e incide sobre un detector. Con posterioridad los datos se registran y procesan por medios electrónicos para formar la imagen.

En mayo de 2003 se utilizó la aguja de un cantilever MFA para extraer un átomo de una superficie no conductora y reemplazarlo por otro. Fue el primer experimento donde se manipularon átomos de forma individual en un material no conductor, usando un método estrictamente mecánico.

Midiendo energías cuánticas

Cuántica (del latín quantum –cantidad-) significa ‘cuantificada’.  El término surgió del hecho, ampliamente comprobado en la práctica, de que en los sistemas ultramicroscópicos, con tamaños del orden atómico/molecular, la energía no puede tomar cualquier valor. Tales sistemas sólo admiten valores de energía que sean múltiplos enteros de otro valor único.  Como si la energía viniera en ‘paquetes’ o cantidades muy bien definidas: los cuantos o ‘quanta’ de energía.

Se denominan quantum dots (puntos cuánticos) los cristales semiconductores que poseen dimensiones del orden del nanómetro (la millonésima parte de un milímetro). Se investigan intensamente en la actualidad, porque los especialistas consideran indispensable develar sus propiedades para crear las computadoras de la próxima generación.

Cuando las dimensiones son tan pequeñas, los efectos cuánticos se manifiestan en toda su plenitud, pero las energías involucradas en los procesos son ínfimas, por lo resulta imposible medir sus valores usando métodos convencionales. Conocer esos valores es muy importante, pues solo así será posible llegar a comprender las propiedades eléctricas del quantum dot, algo indispensable para poder diseñar dispositivos con mejores propiedades.

Las computadoras actuales trabajan sobre la base de dispositivos semiconductores que, al funcionar, sólo pueden ocupar uno de dos posibles estados estables: encendido y apagado (on/off).  Las computadoras cuánticas de nueva generación estarían basadas en dispositivos capaces de trabajar con estados múltiples.  Si tales dispositivos se logran construir, se podría reducir aún más el tamaño de los procesadores y, a la vez, incrementar muchas veces la velocidad de operación de las computadoras. Los quantum dots tienen mucho que ver con la creación de éstas computadoras cuánticas. 

A principios de mayo de este año, investigadores de la universidad McGill, de Montreal, reportaron el desarrollo de un sistema para medir las energías asociadas al intercambio de electrones en un quantum dot.  Con ese fin emplearon el sensor cantilever de un microscopio de fuerza atómica, con una longitud de aproximadamente medio milímetro (el grosor de una uña)y un espesor de 100 o más veces menor.

El principio físico sobre el que se basa la medición es simple.  El cantilever se pone a oscilar y se mide su amortiguamiento mientras interacciona con el ‘quantum dot’.  Como refiere el Dr. Peter Grütter, Decano de la Facultad de Ciencias de la Mc.Gill, el procedimiento “…equivale a medir cuan fuerte se debe empujar a un niño en una hamaca para que, al columpiarse, alcance siempre la misma altura.  El tratamiento matemático es equivalente en ambos casos.”  Al cambiar las condiciones de la muestra, también cambian las condiciones de oscilación y el correspondiente amortiguamiento.  A partir de ahí es posible obtener la información necesaria para calcular los niveles energéticos asociados a la transferencia de electrones. 

El grupo de investigación de la Mc.Gill espera que este nuevo método de medición tenga múltiples e importantes aplicaciones, tanto en la investigación teórica como en la aplicada.