Un equipo europeo ha descubierto que cuando la mecánica cuántica entra en juego, la microscopía óptica puede asomarse a la escala atómica sin renunciar a la luz. El descubrimiento mejorará células solares, semiconductores y dispositivos cuánticos.
La microscopía óptica acaba de romper una barrera que durante 150 años parecía infranqueable. Investigadores del Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) en Alemania, junto con colegas de la Universidad de Birmingham (UK), han logrado realizar mediciones ópticas con una resolución de 0,1 nanómetros, comparable a la distancia entre átomos individuales.
El avance, publicado en Nano Letters, representa una mejora de casi 100.000 veces respecto a la microscopía óptica convencional y desafía un límite fundamental establecido en 1873 por Ernst Abbe, quien, junto con Carl Zeiss y Otto Schott, sentó las bases de la óptica moderna.
Lo que debes saber: microscopia óptica a escala atómica
- El problema: Durante 150 años, la luz no pudo enfocar estructuras más pequeñas que 200-250 nanómetros. Los átomos permanecían invisibles para los microscopios ópticos.
- La solución cuántica: Utilizando una punta metálica extraordinariamente afilada y un efecto cuántico llamado túnel, los electrones atraviesan barreras que la física clásica considera impenetrables, generando una débil señal que revela estructuras atómicas.
- El resultado: Resolución de 0,1 nanómetros—100.000 veces mejor que los microscopios ópticos convencionales. Por primera vez, la luz puede «ver» átomos individuales.
- La ventaja: Funciona con láseres de onda continua baratos y accesibles, no requiere equipos ultrapotentes y complejos.
- Por qué importa: Permite observar directamente cómo los materiales interactúan con la luz a escala atómica, una información crucial para mejorar células solares, semiconductores y dispositivos cuánticos.
- El cambio: La mecánica cuántica ha hecho posible lo que parecía imposible: trascender el límite de la luz permaneciendo dentro de ella.
Referencia
Atomic-Scale Optical Microscopy with Continuous-Wave Mid-Infrared Radiation. Felix Schiegl et al. Nano Lett. 2026 Jan 22. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c05319.
El muro de la difracción
Desde hace más de un siglo, los físicos han sabido que la luz visible no puede enfocarse con precisión arbitraria. Las ondas luminosas se difractan al pasar por aberturas pequeñas, lo que impide que los microscopios ópticos convencionales distingan estructuras menores de aproximadamente 200-250 nanómetros (un nanómetro equivale a la milmillonésima parte de un metro).
Esta limitación fundamental dejaba los átomos y las moléculas individuales fuera del alcance de la luz, relegándolos al dominio de técnicas no-ópticas como la microscopía de efecto túnel (que requiere materiales conductores) o la microscopía de fuerza atómica (que funciona con cualquier material).
El problema es que ninguna de estas técnicas alternativas utiliza la luz como sonda, lo que impide estudiar cómo los materiales interactúan realmente con la radiación electromagnética, una propiedad esencial para comprender desde células fotovoltaicas hasta dispositivos cuánticos.
Cuando lo imposible se vuelve real
El equipo alemán-británico ha conseguido sortear este límite combinando microscopía de campo cercano (SNOM o NSOM) con un fenómeno puramente cuántico: el efecto túnel de electrones, que describe la capacidad que tienen las partículas subatómicas de atravesar barreras que, según la física clásica, deberían ser impenetrables.
La técnica utiliza una punta metálica extraordinariamente afilada que se acerca a la superficie de un material hasta quedar separada por un espacio menor que el tamaño de un átomo. Un láser infrarrojo de onda continua ilumina el sistema, «comprimiendo» la luz en ese diminuto hueco y concentrándola en el ápice de la punta, explican los investigadores en un comunicado.
Sorpresa óptica
La microscopía óptica de campo cercano no es nueva, ya que lleva décadas utilizando puntas afiladas para superar parcialmente el límite de difracción. Pero incluso estas técnicas avanzadas solo alcanzaban resoluciones de unos 10 nanómetros, todavía 30 veces demasiado gruesas para resolver características atómicas.
Los investigadores de Regensburg decidieron seguir acercando la punta para encontrar el límite absoluto de resolución espacial. Lo que descubrieron los tomó por sorpresa: a distancias extremadamente pequeñas, la señal óptica se dispara dramáticamente.
Explicación cuántica
La explicación reside en la mecánica cuántica. Aunque la punta y la superficie no se tocan físicamente en sentido clásico, los electrones pueden atravesar la barrera entre ellas mediante el citado efecto túnel. El campo eléctrico oscilante de la luz infrarroja obliga a estos electrones a moverse de un lado a otro entre la punta y la superficie. Este movimiento produce una débil señal electromagnética—emisión óptica de túnel en campo cercano (NOTE, por sus siglas en inglés) que el equipo ha conseguido detectar.
Lo extraordinario es que un solo electrón, moviéndose una distancia menor que el tamaño de un átomo, produce, cada cien ciclos de la luz, suficiente radiación para ser medida. A partir de esta luz emitida, el movimiento de los electrones entre la punta y la muestra (y por tanto propiedades del material como la conductividad) puede medirse con precisión atómica.
Sencillez frente a complejidad
Durante años se asumió que la emisión óptica de túnel requería pulsos láser ultracortos de altísima intensidad. Sin embargo, uno de los hallazgos más prometedores del estudio es que ese efecto puede conseguirse utilizando láseres de onda continua estándar, que son dispositivos mucho más accesibles, estables y económicos que los sistemas de pulsos ultrarrápidos.
Mientras que los láseres ultrarrápidos de femtosegundos requieren infraestructura considerable y experiencia especializada, un láser de onda continua ofrece una intensidad uniforme y predecible, ideal para mediciones sostenidas. Esta sencillez podría facilitar la adopción de la técnica en laboratorios de todo el mundo.
Más allá del límite de Abbe
El trabajo demuestra que ya no estamos limitados por lo apretado que podamos confinar la luz. En su lugar, los investigadores controlan y miden directamente el movimiento cuántico de electrones confinado a dimensiones atómicas.
Esta capacidad abre la posibilidad de estudiar cómo los materiales interactúan con la luz a escala de átomos individuales, una ventana sin precedentes para comprender cómo los procesos microscópicos determinan las propiedades macroscópicas de toda la materia.
Para la optoelectrónica, esto significa poder observar directamente cómo la luz excita electrones en semiconductores, cómo la energía se transfiere entre moléculas en células solares, o cómo los defectos atómicos afectan el rendimiento de dispositivos nanofotónicos.
Ernst Abbe formuló su límite cuando Maxwell acababa de unificar la electricidad y el magnetismo. Ahora, 150 años después, la mecánica cuántica ha revelado una forma elegante de trascenderlo.
