Se puede 'escribir' con átomos utilizando el microscopio de fuerzas atómicas

La Nanotecnología explota las propiedades de los materiales en la escala nanométrica (un nanómetro es una millonésima parte de un milímetro). El límite último de esta miniaturización es el desarrollo de dispositivos formados por estructuras atómicas creadas artificialmente para realizar una función determinada.

Las herramientas que nos permiten visualizar y manipular la materia átomo a átomo son los llamados microscopios de proximidad, entre los que se incluyen el microscopio de efecto túnel (STM) —por cuyo desarrollo G. Binning y H. Rohrer recibieron el premio Nobel en 1986— y, más recientemente, el microscopio de fuerzas atómicas (AFM, Atomic Force Microscopy).

En un trabajo que aparece publicado en la revista Science, un equipo internacional de científicos, entre los que se encuentran investigadores del departamento de Física Teórica de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid, presenta un nuevo método de manipulación de átomos basado en el AFM que permite la construcción de estructuras atómicas estables a temperatura ambiente.

A diferencia de los métodos de manipulación atómica desarrollados  anteriormente, que consistían en ir empujando o arrastrando átomos de la superficie con la punta del microscopio y requerían temperaturas muy bajas, el nuevo método está basado en el intercambio controlado de un átomo de la punta por otro de la superficie cuando las aproximamos suficientemente. Usando los átomos de la punta (de una especie química diferente a la de los átomos de la superficie) como “tinta”, se puede ir “escribiendo” o “dibujando” con el microscopio, repitiendo este proceso de intercambio en diferentes posiciones sobre la superficie, para formar estructuras complejas de forma muy eficiente.

En particular, este grupo ha “escrito” el símbolo químico del silicio “Si” (que es la especie química de los átomos usados como “tinta”) sobre una superficie recubierta de átomos de estaño. Gracias a simulaciones numéricas basadas en la mecánica cuántica que requieren el uso de superordenadores, se ha podido también explicar el mecanismo atómico básico que está detrás de este proceso y determinar las condiciones en las que tiene lugar. 

Esta nueva técnica de manipulación reduce drásticamente el tiempo necesario para la realización de estructuras atómicas complejas, es posible usarla a temperatura ambiente y se ha comprobado que funciona en varias superficies semiconductoras. Este método abre, por tanto, nuevas perspectivas en campos como la Ciencia de Materiales, la Nanotecnología, la Electrónica Molecular y la Espintrónica. En particular, la combinación de la capacidad del AFM para manipular átomos individuales en superficies con la posibilidad de identificar la especie química, que fue demostrada por el mismo equipo en un artículo publicado en Nature el año pasado, permitirá la construcción de nanoestructuras con propiedades y funcionalidades específicas para mejorar el rendimiento de los dispositivos electrónicos.

Por ejemplo, la colocación en superficies semiconductoras de dopantes concretos en posiciones adecuadas que mejoren la eficiencia de los transistores nanométricos, o de átomos magnéticos que permitan desarrollar dispositivos basados en el control del espín del electrón. Estas técnicas también podrían abrir la puerta a la posibilidad de la nanofabricación de qbits, que son los componentes básicos de lo que podría llegar a ser un ordenador cuántico.