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Microscopía de efecto túnel de barrido ¿Qué pico corresponde a cada excitación?

Fuente: Comunicado de prensa Universidad Christian-Albrechts de Kiel | Traducido por IA 3 min Tiempo de lectura

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Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Una excitación puede desencadenar los más diversos procesos en la molécula. Mediante la microscopía de efecto túnel, investigadores de la Universidad Christian-Albrechts de Kiel han demostrado ahora cómo se pueden identificar los estados cuánticos mediante mediciones: ¿son las oscilaciones, los cambios de espín o un cambio de orbital los que generan la señal?

El Dr. Alexander Weismann (izq.) y el Dr. Arnab Banerjee estudian la excitación de las moléculas bajo el microscopio de efecto túnel.(Imagen: Sophie Humbert, Universidad de Kiel)
El Dr. Alexander Weismann (izq.) y el Dr. Arnab Banerjee estudian la excitación de las moléculas bajo el microscopio de efecto túnel.
(Imagen: Sophie Humbert, Universidad de Kiel)

Las moléculas pueden situarse en los más diversos estados cuánticos. ¿Cómo se pueden distinguir estos estados mediante mediciones cuando los modelos teóricos no son fiables? ¿Y qué proceso de excitación se esconde detrás de cada señal de medición?

El Dr. Arnab Banerjee se enfrentó precisamente a estas preguntas cuando analizó moléculas individuales de cobalto-ceno mediante espectroscopia de túnel. Los espectros medidos mostraban una desconcertante variedad de excitaciones. Junto con colegas de la Universidad Christian-Albrechts de Kiel (CAU) y de España, logró descifrar los datos de una forma novedosa. Los resultados se publicaron en la revista «Physical Review Letters» y fueron destacados por los editores mediante una «Editors’ Suggestion».

Lo que hay detrás de los picos

Para su estudio, los científicos analizaron la molécula de cobalto-ceno sobre una superficie de plomo que se vuelve superconductora a temperaturas muy bajas, es decir, que conduce la electricidad sin resistencia. Para ello, el equipo utilizó un microscopio de efecto túnel. Acercaron su punta metálica a la molécula hasta tal punto que los electrones pudieron superar la minúscula distancia que los separaba de ella. Al modificar la energía de los electrones y registrar la corriente que fluía, los investigadores obtuvieron un espectro: Un aumento brusco de la corriente indica que, a la energía correspondiente, se desencadena un proceso en la molécula. Sin embargo, un salto por sí solo no revela aún qué proceso concreto se esconde detrás. La situación se vuelve especialmente confusa cuando aparecen muchas excitaciones diferentes en el mismo espectro.

Para distinguir las distintas señales, el equipo añadió electrones adicionales a la molécula y luego los volvió a eliminar. Asimismo, los investigadores estudiaron el efecto de un campo magnético intenso sobre los procesos de excitación. La combinación de ambos factores reveló finalmente el tipo de excitación, ya fuera una oscilación de la molécula, un cambio de sentido del espín de un electrón o el paso de un electrón de un orbital a otro.

Una mirada al interior de la molécula

Las mediciones no solo muestran a qué energías se producen las excitaciones, sino que también se ha determinado la distribución espacial de la probabilidad de excitación con resolución submolecular. Una comparación con los resultados de cálculos complejos (teoría del funcional de la densidad, extensión dependiente del tiempo TDDFT) confirmó la asignación de las señales de medición a los estados moleculares implicados.

«Las moléculas son sistemas cuánticos. Para controlar sus estados y, posiblemente, utilizarlas como componentes de ordenadores cuánticos, es imprescindible recurrir a temperaturas muy bajas», afirma el Dr. Alexander Weismann, coautor del estudio. «En la actualidad, el departamento de Física de Kiel investiga fenómenos cuánticos de vanguardia en el marco de KiNSIS —Kiel Nano, Surface and Interface Science—. Espero que la CAU no abandone este campo tan prometedor».

Publicación original: Banerjee, A. et al.: Excitaciones coexistentes de espín, vibracionales y orbitales en los espectros de conductancia, Physical Review Letters 137, 116403 (2026); DOI: 10.1103/mwl6-8nzl

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