NeoFronteras

Desarrollan una cámara estenopeica que usa átomos en lugar de forones para hacer crecer estructuras de tamaño nanométrico.

Esquema de funcionamiento del sistema. Foto: P.N. Melentiev.

Aquellos que son aficionados a la fotografía probablemente saben de las delicias de la fotografía estenopeica. Construir una cámara estenopeica de este tipo es muy sencillo. Basta una caja con su interior pintado de negro a la que se le práctica un pequeño orificio (el estenope) por el que se cuela la luz (debe de ser el único lugar por el que esto suceda) cuando se destapa. En la cara contraria, y por dentro, se coloca un negativo o un papel fotográfico que se impresionará con la luz recibida.
En esta configuración la luz sigue las reglas de óptica geométrica, de tal modo que el efecto teleobjetivo se consigue aumentando la distancia entre el agujero y la película. Además la imagen del fondo está siempre enfocada y la profundidad de campo va de cero a infinito.
Si el estenope es demasiado grande o está lejos de la película se pierde resolución, cosa que también pasa cuando el agujero es demasiado pequeño, pues la difracción (o la contribución ondulatoria Huygens del efecto emisivo del borde) es mayor, por tanto hay que buscar un equilibrio entre ambos casos. La luminosidad depende del tamaño del estenope, pero como suele ser pequeño siempre se necesitan largas exposiciones.
Según la Mecánica cuántica las partículas también tienen propiedades ondulatorias. De este modo se pueden diseñar experimentos de interferencia o difracción de electrones. Incluso se pueden hacer con átomos completos. El microscopio electrónico se basa precisamente en esto.
Unos científicos rusos se plantearon construir una cámara estenopeica atómica de tal modo que en lugar de fotones se emplee átomos para construir una “imagen de materia» de un patrón específico, con estenope de tamaño nanométrico. De este modo ya consiguen hacer crecer micro y nanoestructuras que en un futuro puedan ser útiles en la moderna nanotecnología. Incluso son capaces de crear simultáneamente una secuencia de tales objetos con forma y tamaño controlados. Ya son capaces de obtener tamaños por debajo de los 30 nm, lo que representa una reducción de 10.000 a 1 respecto al tamaño del patrón que hay en la máscara original, pero calculan que podrán llegar a los 6 nm.

La resolución geométrica depende del diámetro del agujero o estenope y de la distacia a la película. Foto: University of Virginia.

En el montaje se usa un haz de iones y un substrato de silicio sobre el que se depositan éstos. Usando una formación lineal de nanoestenopes los investigadores consiguieron crear simultáneamente varios objetos nanoestructurados, tantos como números de estenopes. Si estamos pensando en un chips nanometrico de memoria, por ejemplo, se podría utilizar miles o millones de estenopes para crear miles o millones de estructuras idénticas.
En la tecnología tradicional se emplea la fotolitografía, en la que hay un paso previo óptico que está limitado por la difracción y por tanto por la longitud de onda empleada. Por eso ya se emplean rayos ultravioletas o incluso rayos X, que tiene menor longitud de onda que la luz visible. Este nuevo método es más «directo» y hace crecer el objeto directamente sobre el substrato a partir de átomos, moléculas o agregados de casi cualquier material sin la necesidad de intervención de la luz.
La solución adoptada de «cámara nanoestenopeica» es buena y sencilla porque en este caso no se necesita realizar una “lente” para átomos, algo que sería demasiado complejo. La física es muy similar a la de la cámara estenopeica tradicional. A menor tamaño del diámetro del orificio mejor es la resolución alcanzada. La limitación por difracción vendría dada por la longitud de onda de las ondas de estas partículas (desde el punto de vista mecánico-cuántico), limitación que sería menor conforme se aumentase su velocidad (de manera análoga a un microscopio electrónico) y mayor conforme se disminuye el diámetro del orificio.
Se puede llegar a especular con toda una panoplia de dispositivos nanoelectrónico o nanomecánicos crecidos con esta técnica. El tiempo lo dirá.

Fuentes y referencias:
P.N. Melentiev, A.V. Aablotskiy, D.A. Lapshin, E.P. Sheshin, A.S. Baturin, and V.I. Balykin. “Nanolithography based on an atom pinhole camera.” Nanotechnology 20 (2009) 235301 (7pp).