En el centro de este descubrimiento se encuentran los materiales bidimensionales, que tienen apenas unos nanómetros de espesor. Cuando se superponen dos capas de este tipo de materiales con un pequeño ángulo de giro entre ellas, se forma una estructura conocida como superred de moiré. Esta disposición genera fenómenos físicos completamente nuevos, entre ellos, modos de vibración inusuales llamados “fasones” (phason en inglés), que no habían sido observados directamente hasta ahora.
Los “fasones” —también conocidos como modos ultrasuaves de cizalladura— son movimientos colectivos de los átomos en el plano del material, especialmente localizados en las regiones donde las capas están desalineadas. Estos modos vibracionales son clave para entender cómo se comportan estos materiales en aplicaciones como la computación cuántica, la superconductividad o la conducción térmica. Según explican los autores, “estos modos corresponden a deslizamientos intercapas localizados en los bordes de dominio del solitón y a traslaciones de la superred de moiré”.
Hasta ahora, la existencia de estos modos había sido respaldada solo por simulaciones teóricas. La principal dificultad residía en que su frecuencia es tan baja que escapa a las técnicas tradicionales de espectroscopía. Lo que ha conseguido este equipo es abrir una nueva ventana experimental hacia ese universo vibracional oculto.
Ptychografía electrónica: la técnica que lo hizo posible
Para lograr este nivel de detalle, el equipo utilizó una técnica de imagen llamada ptychografía electrónica multisegmento (MEP, por sus siglas en inglés). Esta técnica consiste en escanear el material con un haz de electrones a escala atómica y reconstruir las imágenes a partir de los patrones de difracción obtenidos. La ventaja principal es su altísima resolución: según los autores, “obtuvimos imágenes excepcionalmente claras de cada sitio atómico” y lograron “resolver estructuras atómicas detalladas, incluso en pares de átomos que aparecen borrosos en las proyecciones convencionales”.
Con esta metodología, fueron capaces de detectar cómo las vibraciones térmicas desenfocaban ligeramente las imágenes atómicas. Pero no se trataba de un desenfoque uniforme. En las regiones llamadas “solitones”, donde se produce una transición entre diferentes tipos de apilamiento atómico, los átomos mostraban vibraciones más intensas y direccionalmente marcadas. Estas áreas se identificaron mediante análisis estadísticos de las formas elípticas de los perfiles atómicos individuales.
Según el paper, “la gran amplitud de las vibraciones, su fuerte elipticidad y su localización en los solitones son características inusuales que concuerdan con las predicciones para los fasones de moiré”.
Un mapa térmico átomo por átomo
Uno de los logros más destacados del estudio fue construir un mapa térmico detallado a nivel atómico. Cada átomo de tungsteno (W) y selenio (Se) en el material WSe2 fue modelado mediante una función gaussiana anisotrópica, lo que permitió calcular su nivel de vibración en distintas direcciones. Este enfoque reveló que las vibraciones no solo cambian de intensidad según la zona del material, sino también de forma: algunas son más circulares, otras más alargadas o direccionales.
Para validar sus observaciones, los investigadores realizaron simulaciones de dinámica molecular a temperatura ambiente (300 K) y las compararon con los datos experimentales. El resultado fue una coincidencia notable en la distribución espacial de las vibraciones. Se observó que los átomos vibran con mayor intensidad en las regiones AA (donde las capas están perfectamente alineadas) que en las regiones AB o en los solitones. Además, las vibraciones en las regiones AA eran más isotrópicas, mientras que en los solitones mostraban una clara dirección preferente.
La precisión alcanzada es tal que incluso se pudieron medir variaciones de amplitud de apenas unas décimas de picómetro, lo que representa un salto cualitativo en la metrología de materiales a escala atómica. Esta capacidad podría ser decisiva para diseñar materiales con propiedades térmicas y electrónicas controladas a nivel atómico.
Cómo cambian los fasones con el ángulo de torsión
El estudio también analizó cómo evolucionan los fasones al variar el ángulo de giro entre las capas. Para ello, se compararon muestras con ángulos de 1,7°, 2,45° y 6,0°. Los resultados muestran que los fasones son más prominentes en los ángulos pequeños, donde la estructura de moiré está más desarrollada. A medida que el ángulo aumenta, las diferencias en las vibraciones térmicas entre las distintas regiones del material se atenúan, y la estructura se comporta como dos capas casi independientes.
Esta observación tiene implicaciones importantes. Indica que la ingeniería del ángulo de torsión es una herramienta poderosa para controlar los modos vibracionales y, por ende, las propiedades físicas del material. Como resumen el artículo: “los fasones dominan las vibraciones térmicas de las estructuras de moiré reconstruidas”, aportando pruebas experimentales a una hipótesis que hasta ahora era puramente teórica.
¿Sabías que… los átomos nunca están quietos?
Incluso en los objetos más sólidos, los átomos vibran constantemente debido a la energía térmica.
A temperatura ambiente, un solo átomo puede oscilar millones de veces por segundo. Pero hasta ahora, esas vibraciones eran invisibles.
Este nuevo estudio ha logrado captarlas directamente por primera vez, abriendo una puerta a tecnologías que controlen
el calor y la electricidad átomo por átomo.
Aplicaciones futuras y próximos pasos
El trabajo no solo representa un avance fundamental en la comprensión de los materiales 2D, sino que también abre nuevas líneas de investigación aplicadas. Poder observar cómo vibran los átomos permite, por ejemplo, estudiar cómo influyen los defectos estructurales o las interfaces en las propiedades térmicas y electrónicas de un dispositivo.
Los autores planean extender esta técnica para investigar cómo las vibraciones térmicas se ven afectadas por imperfecciones en la red atómica. Comprender estos efectos será esencial para diseñar dispositivos cuánticos más eficientes, sensores a nanoescala y nuevos materiales con propiedades térmicas optimizadas.
Además, el uso de la ptychografía electrónica podría ampliarse a otros campos, como la biología estructural o la ciencia de materiales complejos, donde también se necesitan imágenes precisas a escala atómica.
Glosario de términos técnicos
Átomo
La unidad básica de la materia. Está compuesto por un núcleo con protones y neutrones, y una nube de electrones. En el contexto del artículo, los investigadores lograron visualizar los movimientos individuales de los átomos en un material.
Material bidimensional (2D)
Un material extremadamente delgado, formado por una o pocas capas de átomos. Un ejemplo famoso es el grafeno. Estos materiales tienen propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas únicas.
Superred de moiré
Estructura que aparece cuando se superponen dos capas de materiales 2D con un pequeño ángulo de giro entre ellas. Este patrón genera nuevas propiedades físicas que no existen en las capas individuales.
Solitón
Zona de transición en una superred de moiré donde cambia la alineación entre capas. Estas regiones afectan cómo se comporta el material a nivel atómico y son clave para los movimientos llamados fasones.
Fasones
Modos de vibración extremadamente suaves que ocurren en los solitones y regiones desalineadas de una superred de moiré. Son como un “deslizamiento” colectivo de átomos entre capas. Se llaman así por analogía con otros modos conocidos como fonones.
Vibraciones térmicas
Movimientos que realizan los átomos debido a la energía térmica, incluso a temperatura ambiente. Aunque no se ven a simple vista, están presentes en todos los materiales y afectan sus propiedades.
Ptychografía electrónica
Técnica de imagen que utiliza haces de electrones y patrones de difracción para reconstruir imágenes a escala atómica con altísima resolución (menos de 15 picómetros). Permite ver cómo “tiemblan” los átomos.
Resolución atómica
Capacidad de una técnica para distinguir detalles a escala de átomos individuales. En este estudio, la resolución fue tan alta que permitió detectar el desenfoque causado por la vibración de un solo átomo.
Función gaussiana anisotrópica
Modelo matemático que se usa para describir cómo se distribuye la posición de un átomo que vibra. “Anisotrópico” significa que la vibración no es igual en todas las direcciones.
Simulación de dinámica molecular
Método computacional que permite estudiar el movimiento de los átomos a lo largo del tiempo, basándose en las leyes de la física. Se utiliza para comparar con los datos reales obtenidos en el laboratorio.
Referencias
- Yichao Zhang, Ballal Ahammed, Sang Hyun Bae, Chia-Hao Lee, Jeffrey Huang, Mohammad Abir Hossain, Tawfiqur Rakib, Arend M. van der Zande, Elif Ertekin, Pinshane Y. Huang. Atom-by-atom imaging of moiré phasons using electron ptychography. Science, 24 julio 2025. https://doi.org/10.1126/science.adw7751.
Cortesía de Muy Interesante
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