Un microscopio electrónico permite ahora distinguir, a escala de columnas de átomos, cómo se distribuyen algunos electrones a su alrededor.
Para comprender este resultado, hay que olvidar la imagen de los electrones girando alrededor del núcleo como planetas. En mecánica cuántica, se describen más bien regiones donde tienen más probabilidades de estar presentes. Estas regiones se llaman orbitales. Su forma y orientación pueden variar según el entorno del átomo.
Un átomo de helio con su nube de electrones
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Aquí, un orbital representa la zona donde los electrones tienen más probabilidades de encontrarse. Algunos orbitales están alargados en una dirección precisa. En otras palabras, la «nube» asociada a los electrones puede extenderse más verticalmente o, por el contrario, en el plano del material.
Esta orientación es importante porque influye en la forma en que los electrones pueden desplazarse e interactuar en un sólido. Por tanto, puede contribuir a sus propiedades eléctricas o magnéticas. Hasta ahora, los rayos X ya permitían estudiar este fenómeno, pero principalmente como un promedio de muchos átomos.
El nuevo método permite observarlo de forma mucho más local.
Roger Guzman y sus colegas utilizan un microscopio electrónico de transmisión. Un haz de electrones extremadamente fino atraviesa una muestra muy delgada. Después de atravesarla, los científicos miden la energía que han perdido los electrones del haz y la dirección en la que se han desviado.
El truco consiste en comparar la señal obtenida en dos direcciones perpendiculares. Si los electrones del material ocupan preferentemente un orbital orientado en una dirección determinada, esta diferencia aparece en las mediciones. El microscopio puede repetir la operación desplazando su haz de un punto a otro de la muestra.
El resultado es un mapa de la organización electrónica del material. Su resolución es inferior a un ångström, es decir, menor de 0,1 nanómetros. De este modo, los autores alcanzan una sensibilidad correspondiente a una sola columna atómica. Una columna designa aquí varios átomos alineados en la dirección atravesada por el haz del microscopio.
Para comprobar el método, el equipo estudió capas delgadas de un óxido que contiene manganeso. Algunas estaban comprimidas por su soporte y otras ligeramente estiradas. En ambos casos, los electrones del manganeso privilegiaban orbitales diferentes. El resultado coincide con las tendencias observadas anteriormente mediante mediciones con rayos X.
Esta precisión resulta especialmente interesante cerca de un defecto o en la frontera entre dos materiales. En esos lugares, la organización de los electrones puede cambiar en tan solo unos átomos y desaparecer en una medición promedio. Ahora, los autores quieren utilizar esta técnica para estudiar estas variaciones locales en materiales cuánticos e interfaces artificiales.