Cient¨ªficos espa?oles logran filmar el movimiento de 15 ¨¢tomos individuales

El problema para ver los ¨¢tomos de uno en uno en acci¨®n es que tienen movimientos o demasiado r¨¢pidos o demasiado lentos para que un microscopio sea capaz de fijarse en ellos y vigilar sus desplazamientos. Unos cient¨ªficos espa?oles lo han logrado, siguiendo por primera vez y durante horas el movimiento de ¨¢tomos individuales, un pu?ado de ellos, sobre una superficie de silicio. Con un microscopio de efecto t¨²nel y un sistema electr¨®nico especialmente dise?ado para el experimento, han filmado durante diez horas a 15 ¨¢tomos de plomo y, por si fuera poco, han descubierto que su movimiento es totalmente inesperado.Arturo Bar¨®, Jos¨¦ Mar¨ªa G¨®mez Rodr¨ªguez y Juan Jos¨¦ S¨¢enz, de la Universidad Aut¨®noma de Madrid (UAM), van a dar a conocer estos logros en la revista Physical Review Letters. Otros temas como difusi¨®n de los ¨¢tomos y los efectos macrosc¨®picos centran su principal inter¨¦s, pero ellos creen que la industria electr¨®nica o los bi¨®logos deseosos de estudiar ¨¢tomos individuales en las mol¨¦culas pueden estar muy interesados en este espectacular avance de la microscop¨ªa.

S¨ªmil

Para explicar el movimiento de los ¨¢tomos que han presenciado, Bar¨®, G¨®mez y S¨¢enz han ideado un s¨ªmil en el que los ¨¢tomos de plomo ser¨ªan canicas y el soporte de silicio ser¨ªa una huevera. "Echas unas canicas a la huevera y caen en algunos huecos, mientras que otros quedan vac¨ªos. La huevera vibra y las canicas empiezan a moverse dentro de cada hueco hasta que, de repente, una salta al hueco de al lado, que puede estar vac¨ªo u ocupado por otra bolita, en cuyo caso forman una pareja que se mueve mucho m¨¢s despacio", dice S¨¢enz. "Hasta ahora se hab¨ªan visto ¨¢tomos quietos o casi quietos, a temperaturas muy bajas, pr¨®ximas al cero absoluto; lo normal es que se muevan tan deprisa que no hay forma de verlos", comenta Bar¨®.Con los datos tomados mediante el microscopio de efecto t¨²nel, este equipo ha preparado una secuencia de im¨¢genes: en la pantalla del ordenador se distinguen las celdillas del soporte de silicio, un mosaico de tri¨¢ngulos que ser¨ªan los huecos de la huevera. Algunos se ven borrosos, "son los ¨¢tomos, las canicas, movi¨¦ndose muy deprisa (unas 10.000 oscilaciones por segundo), dentro de una celdilla", explica Bar¨®. De repente, una de esas nubes borrosas desaparece y aparece en otra celdilla, es un ¨¢tomo que ha saltado. Unas parejas de lunares blancos, mejor definidos debido a un movimiento mucho m¨¢s lento, se van formando cuando una nube borrosa salta a un hueco ocupado por otra y forman una pareja de ¨¢tomos de plomo."No hemos observado ning¨²n salto de pareja, pero hemos visto formarse tr¨ªos cuando un ¨¢tomo salta a una celdilla ocupada ya por un par", comenta G¨®mez. "La secuencia m¨¢s prolongada que hemos hecho dur¨® 10 horas siguiendo a los mismos 15 ¨¢tomos, pero en total han sido unas 200 horas de experimento", contin¨²a, y reconoce que todav¨ªa no tienen una idea muy clara de qu¨¦ fuerza de atracci¨®n mantiene unidos a estos pares o tr¨ªos de ¨¢tomos. El microscopio de efecto t¨²nel vigilaba una muestra de unas 70 celdillas de silicio, formadas cada una por 24 ¨¢tomos, en la que brincaban 10 o 15 ¨¢tomos de plomo depositados por evaporaci¨®n, dice G¨®mez. Un microscopio de este tipo no es un juego de lentes ¨®pticas que amplifica la luz reflejada de lo que se quiere ver, sino una punta muy pr¨®xima a la muestra a estudiar y un sistema electr¨®nico capaz de calcular exactamente la distancia entre ambas a medida que se recorre el relieve, como un ciego que palpa una superficie con un bast¨®n, s¨®lo que en el microscopio es una corriente el¨¦ctrica que circula entre la punta y la nube externa de electrones del ¨¢tomo.

El truco para presenciar el movimiento de los ¨¢tomos de plomo est¨¢ en un dispositivo electr¨®nico desarrollado por los f¨ªsicos de la UAM que permite corregir en tiempo real la posici¨®n del microscopio respecto a la muestra. "Es como espiar a 15 individuos en una plaza con una c¨¢mara de video", dice S¨¢enz. "Puedes mantener la panor¨¢mica o seguir a uno de ellos a donde vaya".

Efecto t¨²nel

El experimento, realizado en colaboraci¨®n con los franceses Jean Yves Veuillen y Robert Cinti, se hizo en un centro del CNRS en Grenoble (Francia) con un microscopio de efecto t¨²nel convencional, en un sistema de ultra alto vac¨ªo y a temperatura ambiente. La electr¨®nica y el an¨¢lisis de datos se han hecho en la UAM.La elecci¨®n del plomo para el trabajo se debe a que se pretend¨ªa estudiar metales sobre semiconductores, y ha resultado una opci¨®n perfectamente id¨®nea. "Los ¨¢tomos tienen un movimiento muy r¨¢pido de agitaci¨®n t¨¦rmica, como los ¨¢tomos de silicio de la huevera (imperceptible para el microscopio), pero tambi¨¦n pueden tener un movimiento, de traslaci¨®n m¨¢s lento, como los ¨¢tomos de plomo observados", explica Bar¨®. "Es lo mismo que el movimiento microsc¨®pico y macrosc¨®pico, o un coche que parece quieto, aunque todos sus ¨¢tomos constituyentes est¨¢n en movimiento, pero qu¨¦ tambi¨¦n puede echar a andar". La perspectiva que ahora se abre de explorar los efectos macrosc¨®picos de los desplazamientos de ¨¢tomos interesa especialmente a este catedr¨¢tico de F¨ªsica.