A Two-Dimensional Crystal of Strongly Interacting Superatoms

Durante siglos, los científicos han comprendido que el mundo sólido está construido a partir de átomos, diminutas partículas que se unen para formar cristales con patrones repetitivos. En estos patrones, los átomos son tan pequeños y se mueven tan rápido que observar cómo forman un cristal es como intentar observar una sola gota de lluvia caer en una tormenta; el proceso ocurre demasiado rápido para ser visto. Para entender cómo crecen los cristales, los investigadores han imaginado durante mucho tiempo el uso de bloques de construcción más grandes que actúen como átomos pero que se muevan lo suficientemente lento como para ser observados. Llaman a estos bloques más grandes "superátomos". Estos no son átomos individuales, sino cúmulos precisos de muchos átomos que se mantienen unidos tan fuertemente que se comportan como una unidad única y más grande con su propia personalidad electrónica. El desafío ha sido lograr que estos superátomos se adhieran entre sí con la fuerza suficiente para formar un cristal real, en lugar de simplemente flotar libremente o desmoronarse.

Un equipo de investigadores ha logrado con éxito la creación de un cristal bidimensional y plano hecho enteramente de estos superátomos y, por primera vez, han observado cómo los bloques de construcción se mueven, se unen y se reparan a sí mismos en tiempo real. Los científicos trabajaron con cúmulos hechos de paladio y selenio, específicamente grupos que contienen seis átomos de paladio rodeados por veinte o veintiún átomos de selenio. Estos cúmulos son masivos en comparación con un átomo individual, pesando más de dos mil veces más que un átomo de hidrógeno. Debido a que son tan pesados, se mueven mucho más lento que los átomos ordinarios, lo que permite a los investigadores filmar su ensamblaje utilizando un potente microscopio electrónico. El equipo descubrió que estos cúmulos no solo se sientan uno al lado del otro; se unen con una fuerza similar a los enlaces químicos que mantienen unidos a los átomos en los metales, formando una red estable y repetitiva.

Los investigadores comenzaron creando una película delgada de material amorfo, o desordenado, que contenía la mezcla adecuada de paladio y selenio. Para evitar que el material perdiera sus átomos de selenio durante el proceso de calentamiento, el sándwich de la película fue colocado entre dos capas de grafeno, un material compuesto por una sola capa de átomos de carbono. Luego, utilizaron un láser de baja potencia para calentar suavemente un pequeño punto de este sándwich, provocando que el material desordenado se cristalizara en la estructura superatómica. Cuando observaron el resultado con un microscopio de alta resolución, vieron una cuadrícula perfecta de puntos brillantes. Cada punto representaba un único cúmulo de superátomos. Al analizar el brillo y la disposición de estos puntos, el equipo confirmó que los cúmulos estaban dispuestos en un patrón específico y repetitivo, muy parecido a las baldosas de un suelo, pero con un espaciamiento de aproximadamente 8.64 ángstroms entre cada unidad.

Dentro de este cristal, los superátomos no son todos idénticos. Los investigadores descubrieron dos tipos principales de cúmulos: uno con un centro hueco y otro con un átomo de selenio llenando ese centro. A pesar de estas diferencias internas, se unen fuertemente. La distancia entre los bordes de los cúmulos vecinos es de aproximadamente 3.50 ángstroms, un espacio demasiado pequeño para que estén sujetos por fuerzas pasivas débiles, pero demasiado grande para un enlace atómico estándar. Los cálculos sugieren que los cúmulos están unidos por una mezcla de enlaces químicos y fuerzas más débiles, creando un enlace energético lo suficientemente fuerte como para mantener el cristal intacto. Este enlace le otorga al material propiedades metálicas, lo que significa que puede conducir electricidad, lo cual es una diferencia significativa respecto a la versión masiva de este material, que actúa como un semiconductor.

Lo que hace que este descubrimiento sea verdaderamente único es la capacidad de observar cómo crece y se cura el cristal. Debido a que los superátomos son tan masivos, su movimiento es lo suficientemente lento como para ser capturado en un video. Los investigadores observaron cómo cúmulos individuales se desprendían de un grupo y vagaban por la superficie antes de volver a unirse. También observaron cómo pequeños grupos de cúmulos se acercaban a un cristal más grande, rotaban para alinearse con él y luego encajaban en su lugar, haciendo crecer efectivamente el cristal bloque por bloque. Este proceso, que ocurre en fracciones de segundo para los átomos normales, tiene lugar a lo largo de varios segundos en este sistema, permitiendo a los científicos ver los pasos exactos de la nucleación y el crecimiento.

El equipo también observó que los cristales superatómicos sufren los mismos defectos que los cristales ordinarios. Encontraron espacios vacíos donde faltaba un cúmulo, líneas donde el patrón se había desplazado y límites donde se encontraban dos regiones cristalinas diferentes. Cuando los investigadores expusieron el material al haz de electrones durante un periodo prolongado, observaron cómo estos límites se reparaban. Dos granos cristalinos rotaron y se fusionaron en un solo grano más grande, dejando atrás solo rastros tenues del límite original. Esta capacidad de observar el nacimiento, el crecimiento y la reparación de un cristal al nivel de sus bloques de construcción fundamentales proporciona una ventana excepcional a la física de cómo se forma la materia sólida. Al ralentizar el proceso a una escala visible para el ser humano, los investigadores han creado un sistema modelo que podría ayudar a los científicos a comprender las reglas fundamentales de la cristalización, no solo para estos cúmulos específicos, sino para los cristales atómicos que componen el mundo que nos rodea.