Un microscopio per atomi magnetici

Già i filosofi dell'antica Grecia ipotizzavano che la materia fosse costituita da atomi. Tuttavia, gli atomi sono stati resi direttamente visibili solo quasi 35 anni fa, a Zurigo. Con il microscopio a scansione di tunnel sviluppato da Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, è stato possibile esaminare le superfici dei materiali con una risoluzione spaziale inferiore a un nanometro, sufficiente per vedere i singoli atomi.

I ricercatori guidati da Urs Ramsperger e Danilo Pescia del Laboratorio di Fisica dello Stato Solido dell'ETH di Zurigo, insieme a un collega dell'Università Tecnica di Istanbul, hanno ora ampliato le possibilità di questi microscopi estremi con un dettaglio decisivo. Come riferiscono nella rivista Scientific Reports, sono riusciti a misurare la magnetizzazione di un materiale con una risoluzione spaziale di pochi nanometri. In futuro, questa tecnologia potrebbe essere utile sia per l'imaging dei materiali magnetici sia per lo sviluppo di nuovi metodi di elaborazione delle informazioni.

Una tecnologia che non dovrebbe nemmeno esistere

La particolarità della nuova tecnologia è che in realtà non dovrebbe funzionare affatto. Per risolvere i singoli atomi, una punta metallica viene avvicinata alla superficie del materiale in un microscopio a scansione a effetto tunnel fino a distanze atomiche dell'ordine di un nanometro. In base alle regole della meccanica quantistica, gli elettroni possono passare dalla punta metallica al materiale a distanze così brevi, generando una corrente che può essere utilizzata per creare un'immagine della superficie.

I ricercatori dell'ETH hanno aumentato questa distanza a diversi nanometri e hanno avuto due sorprese, come spiega Danilo Pescia: "In primo luogo, avevamo ancora un'ottima risoluzione spaziale nonostante la distanza più elevata e, in secondo luogo, siamo stati in grado di estrarre gli elettroni dalla regione di tunnel, anche se i calcoli avevano mostrato che questo non sarebbe stato praticamente possibile".Normalmente, gli elettroni che entrano nel materiale dalla punta metallica sono intrappolati in questa lacuna e, secondo la teoria, dovrebbero lasciare la regione di tunnel solo molto raramente, anche a distanze maggiori".

Informazioni in Elektronenspin

Tuttavia, gli elettroni estratti contengono informazioni preziose. Il loro spin è di particolare interesse per i ricercatori, poiché fornisce informazioni su se e in quale direzione gli atomi del materiale in esame sono magnetizzati. Lo spin assomiglia allo spin interno degli elettroni, ma in pratica porta a un segnale di misura molto piccolo. Rilevarlo è quindi una sfida tecnica importante, soprattutto nelle difficili condizioni di un esperimento al tunnel.

Nel loro esperimento, gli scienziati hanno applicato un'adeguata tensione elettrica alla punta metallica di un microscopio a scansione di tunnel, facendo emergere elettroni senza una specifica direzione di spin. Quando hanno incontrato atomi magnetici - atomi che a loro volta hanno uno spin - la loro direzione di spin è stata trasferita agli elettroni estratti dalla regione di tunnelling. Infine, la direzione di spin di questi elettroni è stata rilevata con un rivelatore di spin. In questo modo è stato possibile misurare la magnetizzazione nel materiale con una risoluzione spaziale di cinque nanometri.

Tentativi precedenti falliti

Quasi trent'anni fa, un esperimento simile è stato tentato sia all'IBM di Zurigo che al National Institute of Standards and Technology negli Stati Uniti. Tuttavia, l'obiettivo di ottenere un'immagine dello stato magnetico con risoluzione spaziale non è stato raggiunto. I ricercatori del Fare all'ETH sono soddisfatti di essere riusciti nel loro intento nonostante le previsioni negative. Ora stanno lavorando per comprendere l'inatteso successo in termini teorici ed estendere i limiti della nuova tecnologia. Anche negli Stati Uniti c'è attualmente un rinnovato interesse per strumenti simili a quello sviluppato all'ETH e la National Science Foundation sta generosamente finanziando i progetti corrispondenti.

Ampia gamma di applicazioni possibili

Per Urs Ramsperger e Danilo Pescia, questa storia contiene un chiaro insegnamento: "Nella ricerca non bisogna avere paura di tentare l'impossibile", dicono, aggiungendo: "A volte le cose funzionano meglio nella pratica che nella teoria - dopo tutto, la carta è solo carta"."Questo coraggio è stato ora ripagato e, sperano i ricercatori, porterà a molte applicazioni diverse. Ad esempio, le proprietà magnetiche dei materiali potrebbero essere analizzate in tempo reale con una risoluzione di trilionesimi di secondo. Poiché il risultato finale dell'esperimento in corso ha convertito una tensione elettrica in uno spin (un esempio di moderna "spintronica"), dovrebbe essere possibile anche manipolare la magnetizzazione di singoli atomi in modo mirato.