Uno de los grandes atractivos del microscopio de efecto túnel (STM, Nobel de Física de 1986) es su capacidad de manipular átomos sobre una superficie. Esto genera grandes expectativas tecnológicas y hace del STM un instrumento con el cual crear un nano-laboratorio en el cual investigar nuevos fenómenos físicos o comprobar predicciones teóricas. Como alguno de vosotros me comentó que estaba interesado en el tema, me he decidido a dedicar un post al asunto.

La manipulación atómica requiere generalmente superficies extremadamente limpias y una gran estabilidad de la corriente que fluye entre punta y muestra. Así, las condiciones ideales para dicha manipulación son: ultra alto vacío (UHV) y temperaturas criogénicas (normalmente inferiores a 10 K). No obstante, existen también ejemplos de [1] manipulación a temperatura ambiente. Los procesos de manipulación atómica que pueden inducirse mediante un STM incluyen:

• Manipulación lateral: translación de átomos o moléculas sobre la superficie. Empleando las fuerzas atractivas o repulsivas que se establecen entre la punta del STM y los átomos adsorbidos sobre la superficie podemos empujar o tirar de dichos átomos.
• Manipulación vertical: transferencia reversible de átomos o moléculas entre la superficie y la punta del STM (empleando excitación electrónica o vibracional). Un caso particular es la desorción, en la que se eliminan átomos de la superficie que pasan al ambiente en el que estemos trabajando (aire, vacío…).
• Disociación: rotura de los enlaces de una molécula situada en la superficie.
• Síntesis: formación de nuevos enlaces entre dos moléculas.

Uno de los primeros ejemplos de manipulación atómica con el STM es el de [2] Eigler y Schweizer, quienes desplazaron átomos de xenón (Xe) sobre una superficie de níquel hasta formar el logotipo de IBM. Primero se colocó la punta sobre el átomo elegido y después se acercó ésta hasta casi tocarlo. Posteriormente se arrastró el átomo a la posición elegida y finalmente se retiró la punta dejando el átomo de Xe en la superficie. Este proceso es debido a las [3] fuerzas van der Waals que actúan entre la punta y el átomo, que proporcionan una pequeña fuerza de arrastre que es la que permite la manipulación observada. Posteriormente, [4] Crommie y col. fabricaron un “corral cuántico” compuesto por 48 átomos de Fe dispuestos en un círculo de 14 nm de diámetro sobre una superficie de cobre. El proceso de fabricación y el resultado final lo podéis ver a continuación.

En el interior del corral se aprecia claramente un patrón de [5] ondas estacionarias asociado a electrones en estados de superficie. En el centro parece haber un átomo, pero no es cierto. Se trata de un nodo del patrón de ondas estacionarias. Estas observaciones de STM resultaron estar en perfecto acuerdo con las predicciones mecano-cuánticas efectuadas para esta configuración de átomos. Más ejemplos de corrales cuánticos con diferentes formas y de dibujos hechos con un STM los podéis encontrar en la siguiente serie de imágenes. Si colocáis el puntero del ratón sobre ellas sabréis a que corresponden. Espero que os gusten….