Microscopio de seguimiento de recurrencia

Un microscopio de seguimiento de recurrencia (RTM, por sus siglas en inglés) es un microscopio que se basa en el fenómeno de recurrencia cuántica de un paquete de ondas atómicas . Se utiliza para investigar la nanoestructura en una superficie.

En 2006, Farhan Saif utilizó fenómenos de recurrencia cuántica de paquetes de ondas como sonda para estudiar nanoestructuras en una superficie, denominándolo Microscopio de Seguimiento de Recurrencia (RTM). ^{[ 1 ] [ 2 ]}

El fenómeno de tunelización se utiliza como sonda para estudiar la nanoestructura en una superficie con la ayuda del microscopio de efecto túnel (STM). ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} El STM es un dispositivo potente para ver superficies a nivel atómico. El STM se puede utilizar no solo en un vacío ultraalto , sino también en aire y una variedad de otros medios y a temperaturas que van desde casi cero hasta cientos de kelvin . Esta idea se mejoró para crear el microscopio de fuerza atómica (AFM), ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} que es un tipo de microscopio de sonda de barrido de muy alta resolución con una resolución de fracciones de nanómetro. El AFM es una de las herramientas más importantes para obtener imágenes, medir y manipular materia a nanoescala. La aplicación de RTM incluye la visualización y medición de características de superficie con tamaños y dimensiones tan pequeñas como un nanómetro en laboratorios de investigación y desarrollo, así como un proceso para controlar el entorno.

El RTM consta de a) una trampa magnetoóptica (MOT) donde se atrapan átomos superfríos en su interior; b) una superficie dieléctrica sobre la cual se obtiene el espejo de onda evanescente mediante la reflexión interna total de un láser monocromático en la película dieléctrica; y c) una viga en voladizo unida a la película dieléctrica con su otro extremo sobre la superficie bajo investigación.

El montaje experimental de RTM contiene átomos atrapados que se mueven hacia el espejo atómico bajo la influencia de la fuerza gravitatoria. El espejo está compuesto por un campo de onda evanescente, que varía exponencialmente en función de la distancia a la superficie. Por lo tanto, los átomos experimentan un movimiento limitado en presencia del potencial óptico y el potencial gravitatorio simultáneamente. La dinámica de un átomo sobre el espejo atómico está controlada por el hamiltoniano efectivo.

${\displaystyle H={P^{2} \over 2m}+mgz+V_{0}e^{-kz}\quad (1)}$

dónde${\displaystyle p}$representa el momento del centro de masa ,${\displaystyle m}$es la masa del átomo y${\displaystyle g}$es la aceleración gravitatoria constante.

El paquete de ondas atómico evoluciona clásicamente durante un breve periodo y reaparece tras un periodo clásico. Sin embargo, después de unos pocos periodos clásicos, se dispersa por todo el espacio disponible siguiendo la mecánica ondulatoria y colapsa. Debido a la dinámica cuántica, se reconstruye tras un cierto periodo. Este proceso se denomina reaparición cuántica del paquete de ondas atómico, y el tiempo en el que reaparece tras su colapso se denomina tiempo de reaparición cuántica. El tiempo de reaparición cuántica para el átomo en RTM se calcula hallando la función de onda para el hamiltoniano, dada en la ecuación 1.

Para investigar una superficie con estructura arbitraria, se utiliza el RTM en modo estático. Es decir, el átomo incide sobre el espejo atómico estático sin mover la superficie bajo investigación. Su evolución sobre el espejo atómico requiere una posición específica del voladizo. El átomo muestra resurgencias cuánticas en múltiples instantes de tiempo.

A medida que la superficie estudiada se mueve ligeramente, la posición del voladizo cambia debido a la estructura superficial. Por lo tanto, la distancia inicial entre el espejo atómico y el átomo que rebota sobre él también cambia. Este cambio genera una energía inicial para el átomo y, en consecuencia, un tiempo de recuperación diferente. Para cada nuevo tiempo de recuperación, se calcula la energía correspondiente. Este proceso permite conocer la estructura de la superficie y la variación de su altura hasta un nanómetro.

Las ventajas de RTM sobre STM y AFM incluyen: a) se pueden analizar las superficies de todo tipo de materiales, desde conductores hasta aislantes; b) se pueden estudiar superficies compuestas de impurezas sin observarlas, como ocurría en STM; y c) en modo de operación dinámico, RTM proporciona información sobre una superficie con estructuras periódicas de la manera más sencilla.