Un equipo del MIT ha aprendido a mover columnas de átomos dentro de un material sólido a temperatura ambiente. No es un truco de laboratorio: es la base de una nueva clase de materia programable.
Publicado por Santiago Campillo Brocal
Biólogo. Máster en Biología Molecular y Biotecnología, Director de Muy Interesante Digital
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En el MIT han movido 40.000 átomos en 40 minutos, a temperatura de laboratorio y sin vacío extremo. En 1989, IBM tardó horas en desplazar apenas 35 sobre una superficie enfriada a temperaturas cercanas al cero absoluto para escribir sus propias siglas: fue la primera demostración de manipulación atómica precisa de la historia. Treinta y siete años después, la diferencia entre ambos experimentos no es solo de escala: es de naturaleza.
Los avances que siguieron a ese hito permitieron atrapar átomos con luz o encerrar iones con campos eléctricos oscilantes, pero todas esas técnicas comparten el mismo límite: funcionan en superficies, en dos dimensiones, y exigen condiciones de vacío y frío que imposibilitan su uso fuera del laboratorio más especializado. Julian Klein y Frances Ross, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, acaban de publicar en Nature un método que rompe esas tres restricciones a la vez.
El equipo eligió el sulfuro bromuro de cromo, un semiconductor cristalino en forma de lámina de apenas 13 nanómetros de grosor. Sobre él, un haz de electrones dirigido por algoritmos propios actúa con una precisión de pocos picómetros, una billonésima de metro. El haz no extrae átomos de la superficie: los empuja siguiendo una trayectoria oscilatoria diseñada por los investigadores, como quien desliza el dedo por una pantalla táctil, desplazando columnas enteras a nuevas posiciones dentro del cristal. El proceso tarda aproximadamente un segundo por posición, y puede repetirse decenas de miles de veces sin degradar el material.
"Es como una fotocopiadora que puede crear columnas de defectos atómicos idénticos", explica Frances Ross, del MIT. "Puedes mover unos pocos átomos para formar defectos, y repetirlo una y otra vez para construir estructuras tridimensionales con funciones ajustables."
Cada operación genera dos elementos en el cristal: una vacante, el hueco que deja el átomo al moverse, y un intersticial, el átomo en su nueva posición. Ese par vacante-intersticial es la unidad funcional del sistema, y el equipo creó más de 40.000 en 40 minutos. La clave técnica que hace posible la velocidad es el uso de "muy pocos electrones" en la localización del átomo: información suficiente para posicionar el haz con precisión de picómetros, sin dañar la red cristalina. "Nos llevó muchos años determinar la información mínima necesaria para inferir la posición de los átomos con la máxima precisión", explica Klein.
En física cuántica, lo que en ingeniería convencional sería un error es un recurso. Una vacante en la posición precisa dentro de un semiconductor puede actuar como un qubit, la unidad de información de un ordenador cuántico, como un sensor magnético de alta resolución o como un dispositivo lógico a escala atómica. El desafío histórico era crear esos defectos de forma determinista, en posiciones exactas y a gran escala, en un material que después pudiera funcionar fuera del laboratorio.
A diferencia de todas las técnicas anteriores, que trabajan en la superficie, este método actúa en el interior del cristal: los defectos quedan protegidos del entorno y son estables fuera del vacío.
La pregunta que la comunidad científica lleva décadas sin responder no es si los materiales cuánticos tienen propiedades extraordinarias, sino cómo construirlos de forma que sobrevivan fuera del laboratorio donde nacieron.
Los experimentos se realizaron en los microscopios de alto rendimiento del Laboratorio Nacional Oak Ridge, en colaboración con investigadores de Radboud University, la Universidad de Química y Tecnología de Praga, King's College London y el National Lab of the Rockies. El equipo multinacional fue necesario porque el proceso exige no solo mover átomos, sino calcular en tiempo real qué propiedades cuánticas genera cada configuración, algo que requirió años de desarrollo en paralelo de algoritmos y modelos teóricos.
Los experimentos se han realizado en un único material. Los investigadores sospechan que el método será extensible a otros cristales, pero eso no está probado. Los 40.000 defectos del paper son una demostración de escala y control, no un dispositivo funcional: nadie ha construido todavía un sensor, un qubit ni ningún componente real con esta técnica, y los microscopios de Oak Ridge no están en manos de laboratorios convencionales. En computación cuántica, el camino desde un resultado de laboratorio hasta una aplicación industrial puede durar décadas.
El paper establece que la barrera conceptual ha caído: la ingeniería atómica tridimensional a temperatura ambiente ya es posible. Lo que queda por demostrar es en cuántos materiales funciona y qué dispositivos reales puede construir.
Cuando IBM ensambló aquellos 35 átomos, el objetivo era demostrar que mover un átomo con precisión era posible. Treinta y siete años después, el MIT demuestra que puede hacerse 40.000 veces en el tiempo que IBM tardó en hacer 35. La consecuencia para los materiales cuánticos sería inmediata: si el método escala a otros cristales, la ingeniería atómica podría pasar de artesanía de laboratorio a producción en serie.
"Hay oportunidades enormes que estas técnicas habilitan", afirma Klein. "Tecnologías de sensado, ópticas y magnéticas. Estados de la materia completamente artificiales. Sistemas que representan física que todavía no hemos visto."
El siguiente experimento que el equipo quiere abordar es averiguar qué ocurre cuando hay millones de defectos en configuraciones deliberadas y si la física colectiva que emerge a esa escala tiene propiedades que no pueden predecirse átomo a átomo. Lo que el MIT ha construido esta semana es la herramienta para hacerse esa pregunta. La respuesta todavía no existe.
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