Telegrafía con luz a escala atómica

Físicos de la Universidad de Ratisbona han logrado alcanzar una resolución atómica con microscopía óptica midiendo la luz de una chispa cuántica a velocidad superior a una billonésima de segundo.

En la década de 1880, Heinrich Hertz descubrió que una chispa que salta entre dos piezas de metal emite un destello de luz (ondas electromagnéticas que oscilan rápidamente) que puede ser captado por una antena. En honor a su innovador trabajo, la unidad de frecuencia recibió el nombre de "Hertz" en 1930. Los hallazgos de Hertz fueron utilizados más tarde por Guglielmo Marconi (Premio Nobel de Física, 1909) para transmitir información a largas distancias, creando comunicaciones por radio y revolucionando la telegrafía inalámbrica, dando forma a la mundo moderno hasta nuestros días.

Ahora, científicos del Departamento de Física y del Centro de Nanoscopía Ultrarrápida de Ratisbona (RUN) han podido observar directamente una versión cuántica de la chispa de Hertz saltando entre dos átomos midiendo el oscilograma de la luz que emite con pecisión temporal más rápida que un solo ciclo de oscilación de la onda de luz.

Esta nueva señal permitió lograr un objetivo largamente buscado: la resolución espacial atómica en microscopía totalmente óptica. Como canal de comunicación sin precedentes con el mundo cuántico, esta señal podría ser crucial para el desarrollo de tecnologías cuánticas súper rápidas, ya que brinda nuevos conocimientos sobre los procesos que ocurren en escalas de longitud de átomos individuales y escalas de tiempo más rápidas que una billonésima de segundo.

El equipo de físicos utilizó una punta atómicamente afilada para enfocar la luz en el pequeño espacio entre el ápice de la punta y una superficie de muestra llamada región del campo cercano; esta vez el espacio se mantuvo a solo unos pocos átomos de ancho con precisión subatómica.

En la física clásica, donde los electrones se imaginan como partículas minúsculas y cargadas, los electrones no pueden atravesar esta brecha. Sin embargo, la proximidad de la punta atómica y la muestra revela la segunda naturaleza de las partículas en la mecánica cuántica: su comportamiento ondulatorio. La mayor parte de la onda electrónica estará en la punta, pero una pequeña fracción también residirá a lo largo del espacio dentro de la muestra, como si una persona estuviera parada a ambos lados de una puerta al mismo tiempo.

Esta dualidad cuántica onda-partícula, contraintuitiva, se manifiesta en una corriente de electrones medible experimentalmente que atraviesa la pequeña brecha. Sin embargo, ahora este proceso se impulsa extremadamente rápidamente mediante el uso de ondas de luz, los campos eléctricos alternos más rápidos que los físicos pueden controlar. El campo eléctrico oscilante de luz impulsa los electrones túneles de un lado a otro entre el átomo fronterizo de la punta y la muestra, impulsando así la versión cuántica de la chispa de Hertz.

"Detectar la emisión hertziana de un puñado de electrones por ciclo de oscilación de la luz parecía una misión imposible al principio", dice en un comunicado el primer autor, Tom Siday.

Los autores denominaron a esta nueva técnica microscopía de "emisión de túnel óptico de campo cercano" (NOTE). Estos hallazgos abren la puerta a la observación directa de las ondas de materia que se mueven en escalas de longitud atómicas en cámara lenta. Los resultados se publican en Nature.

Este descubrimiento revolucionario ha sido posible gracias a un microscopio óptico ultrarrápido único que combina la resolución espacial extrema de un microscopio de sonda de barrido de última generación con una medición de señal totalmente óptica ("luz entra, luz sale").

"La electrónica es extraordinariamente sensible, pero demasiado lenta para seguir directamente las oscilaciones actuales de la chispa cuántica impulsada por ondas luminosas, por lo que hay que mirar dentro de las oscilaciones de la propia luz emitida", explica el autor principal Rupert Huber.

"NOTE nació cuando observamos que las ondas de luz entrantes y salientes se desplazaban en el tiempo una cuarta parte del período de oscilación, ¡sólo un cuarto de billonésima de segundo en nuestro experimento! Tuvimos que asegurarnos de que toda nuestra configuración óptica fuera lo suficientemente estable para detectar este pequeño cambio y que tenemos el control absoluto del campo luminoso oscilante", continúa uno de los autores principales, Johannes Hayes.

"La punta de la antena tiene que permanecer encima del mismo átomo, incluso en el centro del intenso foco de potentes pulsos láser, todo dentro de una distancia de menos de una diezmilésima parte del diámetro de un cabello humano. Sólo los experimentos más estables las condiciones son bastante buenas", concluye otro de los autores principales, Felix Schiegl.

Descifrar esta señal telegráfica cuántica sigue siendo un desafío. No basta con considerar sólo los dos átomos entre los que salta la chispa cuántica, ya que la dinámica está muy influenciada por el entorno. Para simular desde los primeros principios la respuesta cuántica de la asombrosa cifra de 1010 átomos, Jan Wilhelm utilizó una supercomputadora para reproducir el cambio de tiempo característico de la señal NOTE y proporcionar los primeros conocimientos sobre el flujo cuántico de electrones impulsado por ondas de luz y la distorsión de los orbitales atómicos.

NOTE ya ha permitido descubrir nueva física. "Los electrones que cruzan desde la punta a la muestra y luego regresan son casi hipotéticos: invisibles para la electrónica, pero no para NOTE", explica el autor correspondiente, Yaroslav Gerasimenko.

"Solo tienen que permanecer debajo de la punta hasta que el campo de luz cambie de dirección para poder regresar". Al observar un aislante atómicamente delgado (un material que resiste la propagación de los electrones), los físicos pudieron vislumbrar por primera vez estas corrientes de materia ultrarrápidas y ahora pueden observar la dinámica a escala atómica previamente oculta en capas aislantes omnipresentes en la electrónica y la energía fotovoltaica.

Estos nuevos resultados presentan un avance innovador en la microscopía óptica, llevándola a las escalas de tiempo y duración definitivas simultáneamente. La observación directa de corrientes de túneles ultrarrápidas podría permitir una comprensión sin precedentes de la dinámica electrónica en materiales cuánticos y plataformas cuánticas para computación y almacenamiento de datos. NOTE además abre la puerta a la dinámica de campo fuerte a escala atómica, como la electrónica de ondas de luz.

El descubrimiento de este canal de comunicación con el mundo cuántico podría, al igual que los descubrimientos de Hertz hace más de 100 años, provocar una revolución en la transferencia de información. Además, podría ser clave para comprender la dinámica microscópica que dará forma a los dispositivos del mañana.