microscopio de efecto túnel

En el microscopio que ve átomos individuales reinan el frío y el silencio: la temperatura ronda los -268 °C y en su interior hay un vacío perfecto. Para colocar átomos de hierro individuales sobre ese escenario, normalmente se necesita un "pasillo" directo desde el evaporador hasta la muestra.

Un contenedor marítimo es una caja fuerte de acero del tamaño de una habitación, repleta de mercancías. Escanearla con rayos X es difícil: las paredes gruesas y la carga densa atenúan los rayos. En su ayuda vienen los muones, partículas que nacen en lo alto del cielo y caen constantemente sobre la Tierra.

Gota a gota desde un grifo, o un chorro uniforme sin una sola salpicadura. Así se ven aproximadamente los dos regímenes de corriente en un contacto superconductor. Solo que el papel del agua lo desempeñan los pares de Cooper: electrones enlazados que se mueven sin resistencia.

Fotografiar las alas de un colibrí con una cámara normal es obtener una mancha borrosa. Para una imagen nítida, se toman muchas fotos rápidas desde diferentes ángulos y se ensamblan, así se crea una «instantánea» cuántica. En el laboratorio, los científicos «palpan» las oscilaciones de un diminuto espejo con un rayo láser.

Un cristal plano de átomos cargados, suspendidos en una trampa electromagnética, funciona como un estanque perfectamente liso. El más mínimo soplo produce ondas en su superficie. Este «estanque» capta los chapoteos de partículas de materia oscura y ondas del espacio-tiempo: ondas gravitacionales de alta frecuencia.

En una trampa de campos, los científicos ensamblaron un cristal — 150 iones a temperatura ultrabaja. Cada ion se comporta como un diminuto imán, capaz de girar en cualquier dirección. Controlando fuerzas que dependen de este espín, los físicos hicieron que todos los pequeños imanes se arremolinaran en un remolino común, llamado skyrmion.

Los biólogos suelen marcar las células con moléculas luminosas, como buscar una lucecita tenue en el humo. La luz se apaga rápido y el humo genera interferencias.

Una pila de papel: si las hojas están perfectamente alineadas, la luz las atraviesa de manera uniforme. Pero basta con girar una hoja unos pocos grados para que la imagen cambie. Algo similar ocurre con las capas de ciertos materiales: si las giras unas respecto a otras, sus propiedades cambian, a veces de forma radical.

La corriente que fluye por un cable nunca es perfectamente uniforme. Si se escucha con suficiente atención, se oye un susurro: el ruido de disparo. Surge porque la carga no se transporta como un flujo continuo, sino en porciones individuales, como gotas de lluvia sobre un tejado. Por la naturaleza de este ruido se puede deducir cuánta carga lleva cada «gota».

El microscopio de efecto túnel explora una molécula con una aguja finísima y dibuja su relieve. Pero la imagen es plana, mientras que la molécula es tridimensional. ¿Cómo adivinar la postura de una persona a partir de su sombra en la pared?

Un canal iónico en la membrana celular es una puerta de unos pocos átomos de ancho. Cada segundo pasan por él millones de partículas cargadas: iones de sodio y potasio. La física clásica decía que, para atravesarlo, el ion debe saltar una barrera energética, como un viajero que cruza un alto puerto de montaña.

Un imán de nevera atrae un clip: ese campo lo sentimos con las manos. Ahora reduzca ese campo mil millones de veces. Señales tan débiles son las que emiten los átomos dentro de nuestro cuerpo, y son muy difíciles de captar. Los científicos construyeron un sensor con moléculas especiales que actúan como diminutos imanes.

Una aguja diminuta se desliza sobre la superficie como un dedo sobre una página escrita en braille. Así funciona el microscopio de efecto túnel: palpa el relieve de los átomos y convierte las irregularidades en una imagen. Pero cuando se necesita añadir un campo magnético, el diseño choca con una pared.

La punta de un microscopio de efecto túnel se acerca tanto a la superficie de un cristal que entre ambos salta una corriente eléctrica. Los electrones de la aguja se inyectan en un semiconductor estratificado y caen en una vacante atómica: un lugar donde falta un átomo en la red.

En el grafeno bicapa retorcido, los electrones se comportan como personas en un autobús abarrotado: cada uno ocupa su lugar y estorba a los vecinos. La fuerza de esta "falta de voluntad para compartir el espacio" se llama parámetro de Hubbard U. De ella depende si el material será conductor o aislante, pero medir U directamente es muy difícil.

Un breve destello de luz incide sobre una lámina de grafeno, y en el punto de impacto se abre por un instante una brecha energética, como si en una tela continua se cortara un bolsillo.

La aguja de un microscopio de efecto túnel se cierne sobre la superficie a una distancia menor que el diámetro de un átomo. Normalmente, explora el relieve como un dedo sobre una página en braille. Ahora, esa misma aguja ha aprendido a escuchar cómo tiembla una membrana del tamaño de una uña.

Dos péndulos unidos por un resorte de luz comienzan a oscilar al unísono, sin siquiera tocarse. En el mundo cuántico, tal sincronía significa algo más: las partículas pierden su individualidad y se convierten en un solo objeto.

La carga electrónica es como una planta rodante que cambia de campamento según la energía. En el cristal de diseleniuro de wolframio (WSe₂) esto se ve con total claridad: a un voltaje de −1.4 V, cercano al punto K de la zona de Brillouin, los máximos de corriente túnel aparecen en los centros de los hexágonos, donde no hay átomos.