Los átomos no son aburridos, también bailan como nosotros. Los científicos lo han descubierto gracias a la luz

Un fogonazo de luz, casi como un parpadeo imperceptible, y los átomos empiezan a moverse como si alguien hubiese puesto una canción. No estamos hablando de una agitación al azar, sino que nos enfrentamos a giros que parecen más una coreografía a escala microscópica que sucede en una billonésima parte de segundo. Fíjate si es breve el tiempo, que ni el ojo humano ni las técnicas clásicas de laboratorio podían captarlo. Hasta ahora.

La luz que hace bailar a los átomos

Recientemente, en un artículo publicado en la revista científica Nature, hemos conocido el trabajo llevado a cabo por investigadores de la Universidad Cornell y la Universidad de Stanford, que han recurrido a una herramienta diseñada para grabar lo que normalmente es invisible. Estamos hablando de lo que se conoce como difracción ultrarrápida de electrones o, explicado de manera sencilla, una cámara ultrarrápida hecha de electrones, que es capaz de mostrar cómo se mueven los átomos en tiempo real cuando un material recibe energía.

Con este instrumento, construido en la Universidad Cornell y acompañado de un detector de alta sensibilidad también desarrollado allí, los investigadores consiguieron observar, por primera vez, cómo las capas atómicas de un material responden a la luz con un retorcimiento dinámico y reversible. A este material, por cierto, se le conoce como muaré. Esto significa que el material posee una estructura formada por dos capas extremadamente finas, de un solo átomo de grosor, una encima de la otra con un pequeño ángulo de giro entre ellas.

Este hallazgo abre una puerta fascinante en ciencia: la posibilidad de manipular estos materiales en tiempo real mediante pulsos de luz. Pero, ¿y de qué nos sirve esto? A partir de aquí, la comunidad científica podrá explorar nuevos caminos en fenómenos como la superconductividad, el magnetismo exótico o dispositivos electrónicos cuánticos capaces de reconfigurarse al instante. Jared Maxson, coautor del estudio, asegura en la página web de la Universidad Cornell:

Desde hace mucho tiempo se sabe que, al apilar y retorcer estas capas atómicamente delgadas, se puede cambiar el comportamiento de un material. Se puede convertir en un superconductor o hacer que los electrones actúen de maneras nuevas e inesperadas. Lo novedoso aquí es que realzamos ese giro dinámicamente con la luz, y observamos cómo sucede en tiempo real.

Esa capacidad de apretar y soltar la estructura a escala atómica recuerda a una cinta enrollada que libera energía en cuanto se deja de forzar. Hasta ahora, se asumía que una vez fijado el ángulo entre las dos capas, la arquitectura interna quedaba congelada. Sin embargo, el trabajo liderado junto a Fang Liu, responsable de fabricar los materiales en la Universidad de Stanford, demuestra lo contrario: los átomos se mueven y lo hacen siguiendo un patrón circular dentro de cada celda del muaré.

Para grabarlo, el equipo utilizó un sistema de bombeo y sondeo. Primero aplicaron un pulso láser que sacudió el material y que puso en marcha el movimiento interno. Después, enviaron un haz de electrones ultrarrápidos que, al rebotar en los átomos, genera un patrón de difracción, el dibujo que se forma cuando los electrones chocan con los átomos y se desvían, creando puntos o manchas que indican dónde están esos átomos. De esta manera se revela cómo se han desplazado.

En este caso, el detector EMPAD fue esencial porque actúa como una cámara extremadamente sensible: es capaz de distinguir señales diminutas, permitiendo reconstruir la secuencia completa del movimiento atómico. Esta investigación, como curiosidad, también destaca por su carácter artesanal, ya que el hardware está modificado a medida para aumentar la resolución de la difracción y los materiales de Stanford están optimizados para responder a la sensibilidad del sistema. El diseño de los materiales del futuro parece que ya ha comenzado.