Gli scienziati IBM misurano direttamente gli stati di carica degli atomi utilizzando un microscopio a forza atomica
Gli scienziati IBM in collaborazione con l’Università di Ratisbona, Germania, e con l’Università di Utretcht, Paesi Bassi, hanno dimostrato per la prima volta la possibilità di misurare lo stato di carica di singoli atomi, utilizzando un microscopio a forza atomica senza contatto. Misurando con la precisione di carica di un singolo elettrone e una risoluzione laterale nanometrica, i ricercatori sono riusciti a distinguere gli atomi neutri da quelli a carica positiva o negativa. Ciò rappresenta una tappa fondamentale nelle nanoscienze ed apre nuove possibilità nell’esplorazione delle strutture a nanoscala e dei dispositivi agli estremi limiti atomici e molecolari. Questi risultati potranno avere un impatto in svariati campi, quali l’ elettronica molecolare, la catalisi od il fotovoltaico.
Come riportato nel numero del 12 giugno della rivista Science, Leo Gross, Fabian Mohn e Gerhard Meyer dello Zurich Research Laboratory IBM, in collaborazione con i colleghi dell’Università di Ratisbona e dell’Università di Utrecht, hanno fotografato ed identificato le differenti cariche in singoli atomi di oro e di argento misurando le minuscole differenze nelle forze tra la punta di un microscopio a forza atomica ed un atomo, caricato o non caricato, situato in stretta prossimità al di sotto di esso.
Per condurre questi esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di microscopio a effetto tunnel (Scanning Tunneling Microscope, STM) e microscopio a forza atomica (Atomic Force Microscope, AFM), azionati sotto vuoto a bassissima temperatura (5 Kelvin) per ottenere l’alto livello di stabilità necessario per effettuare queste misurazioni.
In linea di principio, il microscopio AFM utilizza una punta sottile per misurare le forze di attrazione tra la punta e gli atomi su un substrato. Nell’impostazione di questo lavoro, l’AFM utilizza un sensore di forza qPlus, composto da una punta montata su un terminale di un diapason, mentre l’altro terminale del diapason è fisso. Il diapason, simile a quello che si trova nei comuni orologi da polso, è azionato meccanicamente ed oscilla con un’ampiezza di appena 0,02 nanometri, equivalenti a circa un decimo del diametro di un atomo. Man mano che la punta dell’AFM si avvicina al campione, la frequenza di risonanza del diapason varia, a causa delle forze che agiscono tra il campione e la punta. Facendo passare la punta al di sopra di una superficie, e misurando le differenze nella variazione di frequenza, è possibile derivare una mappa precisa delle forze di superficie.
Le condizioni di misurazione estremamente stabili si sono dimostrate essenziali per rilevare le minuscole differenze nella forza causate dalla variazione dello stato di carica dei singoli atomi. È stato riscontrato, ad esempio, che la differenza tra la forza di un atomo di oro neutro e quella di un atomo di oro caricato con un elettrone supplementare è pari ad appena 11 piconewton circa, misurata alla distanza minima rispetto alla punta di circa mezzo nanometro sopra l’atomo. L’accuratezza di misurazione delle forze, ottenuta in questi esperimenti è superiore a 1 piconewton, pari alla forza gravitazionale che due adulti esercitano l’uno rispetto all’altro a una distanza di oltre mezzo chilometro. Inoltre, misurando la variazione della forza con la tensione applicata tra punta e campione, gli scienziati sono riusciti a distinguere singoli atomi a carica positiva da quelli a carica negativa.
Questa scoperta rivoluzionaria è un ulteriore progresso cruciale nel campo della scienza su scala atomica. Al contrario dell’STM, che può essere utilizzato solo su materiali conduttivi, l’AFM è indipendente dalla conduttività e può essere impiegato per studiare materiali di tutti i tipi, soprattutto gli isolanti. Nel campo dell’elettronica molecolare, che punta a utilizzare le molecole come elementi funzionali per i futuri dispositivi di calcolo, nonché per dispositivi a singolo elettrone, è necessario un substrato isolante che eviti la dispersione degli elettroni. Ciò rende il microscopio a forza atomica senza contatto il metodo di elezione per le sperimentazioni.
“L’AFM con una sensibilità a livello di carica del singolo elettrone è uno strumento potente per esplorare il trasferimento di carica in complessi molecolari, fornendoci elementi di conoscenza cruciali e nuove proprietà fisiche su ciò che potrebbe un giorno portare a dispositivi e concetti di calcolo rivoluzionari”, spiega Gerhard Meyer, che guida il lavoro di ricerca correlato all’STM e all’AFM presso lo Zurich Research Laboratory IBM. Per studiare il trasferimento di carica nei complessi molecolari, gli scienziati prevedono che, negli esperimenti futuri, sarà possibile collegare singoli atomi a molecole, per formare reti metallo-molecolari. Utilizzando la punta per caricare questi atomi, gli scienziati potrebbero quindi iniettare gli elettroni nel sistema e misurarne la distribuzione direttamente con l’AFM senza contatto (vedere figura 2).
Leo Gross, ricercatore IBM, evidenzia altre aree interessanti al di là del calcolo su nanoscala: “Lo stato di carica e la distribuzione della carica sono cruciali nella catalisi e nella fotoconversione. La mappatura della distribuzione della carica su scala atomica potrebbe fornire elementi di conoscenza sui processi fondamentali in questi campi”.
Questo risultato è l’ultimo di una serie di progressi scientifici conseguiti dagli scienziati IBM negli ultimi anni, e rappresenta un passo fondamentale verso la costruzione di elementi di calcolo su scala molecolare, elementi che, secondo le previsioni, saranno enormemente più piccoli, più veloci e più efficienti in termini energetici dei processori e dei dispositivi di memoria di oggi.
Utilizzando l’AFM a diapason, un’équipe dell’IBM Almaden Research Center è stata la prima a misurare nel 2008 la forza necessaria per spostare un atomo su una superficie, aprendo la strada all’esperimento attuale. Nel 2007, il team di Gerhard Meyer del laboratorio IBM di Zurigo ha dimostrato la fattibiltà di un interruttore (switch) basato su di una singola molecola, in grado di operare perfettamente senza alterarne la struttura esterna o la forma. Nel 2004, lo stesso gruppo ha manipolato in modo controllato lo stato di carica di singoli atomi, utilizzando un STM. Inducendo impulsi di tensione attraverso la punta dell’STM, sono riusciti a caricare un singolo atomo su un sottile film isolante con un elettrone supplementare. L’aspetto importante è che l’atomo a carica negativa è rimasto stabile fintanto che un altro impulso di tensione, a polarizzazione opposta, è stata applicata tramite la punta dell’STM. Questo metodo è stato utilizzato dagli scienziati in questo esperimento per caricare i singoli atomi.
IBM e la nanotecnologia
IBM è stata pioniera nelle nanoscienze e nella nanotecnologia sin dallo sviluppo dell’STM nel 1981 da parte di Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, IBM Fellows, presso lo Zurich Research Laboratory IBM. Per questa invenzione, che ha reso possibile acquisire l’immagine di singoli atomi e in seguito manipolarli, Binnig e Rohrer sono stati insigniti del premio Nobel per la Fisica nel 1986. L’AFM, che deriva dall’STM, è stato sviluppato da Binnig nel 1986. L’STM è diffusamente considerato lo strumento che aperto le porte al mondo delle nanoscienze.
Lo studio scientifico intitolato “Measuring the Charge State of an Adatom with Noncontact Atomic Force Microscopy” a cura di L. Gross, F. Mohn, P. Liljeroth, J. Repp, F. J. Giessibl e G. Meyer, è stato pubblicato su Science, Volume 824, Numero 5933.
Per immagini e video visitare il sito: www.zurich.ibm.com/news/09/afm.html