Científicos visualizan el comportamiento cuántico de electrones calientes por primera vez

Los investigadores emplearon un microscopio de efecto túnel para inyectar electrones en una superficie de silicio, decorada con moléculas de tolueno. A medida que la carga inyectada se propagaba desde la punta, indujo a las moléculas a reaccionar y 'levantarse' de la superficie.

Mediante la medición de las posiciones atómicas precisas desde las cuales las moléculas salieron de la inyección, el equipo fue capaz de identificar que los electrones se rigen por la mecánica cuántica cerca de la punta y luego por un comportamiento más clásico más lejos.

El equipo encontró que el lanzamiento molecular se 'suprime' cerca del punto de carga de la inyección, debido a que el comportamiento clásico se inhibió. El número de reacciones cerca de la punta aumentó rápidamente hasta alcanzar un radio de hasta 15 nanómetros de distancia, antes de ver la descomposición relativamente lenta de las reacciones más allá de ese punto más acorde con el comportamiento clásico.

Este radio, en el que el comportamiento cambia de cuántico a clásico, puede alterarse mediante la variación de la energía de los electrones inyectados, según esta investigación, publicada en 'Nature Communications' y fruto de la colaboración entre la Universidad de Birmingham y la Universidad de Bath, en Reino Unido.

El profesor Richard Palmer, de la Universidad de Birmingham, explica: "Cuando un electrón es capturado por una molécula de tolueno, vemos que la molécula se despega de la superficie, como el módulo de aterrizaje del Apolo dejando la superficie de la Luna. Al comparar imágenes de la superficie antes y después, medimos el patrón de estos sitios de lanzamiento moleculares y revelamos el comportamiento de los electrones de una manera que no era posible antes.

COMPORTAMIENTO CUÁNTICO DE ELECTRONES A TEMPERATURA AMBIENTE

"Estos resultados sucedieron, sobre todo, a temperatura ambiente. Muestran que el comportamiento cuántico de los electrones que es fácilmente accesible en cerca de la temperatura de cero absoluto (-273 ° C) persiste en condiciones más cálidas de la temperatura ambiente y durante una "gran" escala de 15 nanómetros. Estos hallazgos sugieren que los futuros dispositivos cuánticos a escala atómica podrían funcionar sin la necesidad de un tanque refrigerante de helio líquido", añade.

El doctor Peter Sloan, de la Universidad de Bath, añade: "Los electrones calientes son esenciales para una serie de procesos; ciertas tecnologías son totalmente dependientes de ellos. Pero son notoriamente difíciles de observar debido a su corta vida, de alrededor de una millonésima de una billonésima parte de un segundo. Esta técnica de visualización nos da un muy nuevo nivel de comprensión".

Ahora que el equipo ha desarrollado el método para visualizar el transporte cuántico, el objetivo es entender cómo controlar y manipular la función de onda del electrón. Esto podría ser mediante la inyección de electrones a través de un grupo de átomos de metal o a través de la manipulación de las propias superficies para aprovechar los efectos cuánticos de los electrones.

Las implicaciones de ser capaz de manipular el comportamiento de los electrones calientes son de largo alcance; desde la mejora de la eficiencia de la energía solar hasta mejorar la focalización de la radioterapia para el tratamiento del cáncer.