IBM ammaestra gli elettroni

Gli scienziati di Big Blue sono riusciti a controllare lo stato di carica del singolo atomo aggiungendo e rimuovendo un elettrone. IBM parla di una pietra miliare nello sviluppo dei futuri dispositivi su scala atomica
Gli scienziati di Big Blue sono riusciti a controllare lo stato di carica del singolo atomo aggiungendo e rimuovendo un elettrone. IBM parla di una pietra miliare nello sviluppo dei futuri dispositivi su scala atomica

Milano – Un gruppo di scienziati dell’ IBM Zurich Research Laboratory e della Chalmers University of Technology di Goteborg sono riusciti a manipolare e controllare con successo lo stato di carica di singoli atomi.

Con questo esperimento i ricercatori affermano di aver spalancato una nuova dimensione nella manipolazione atomica: la capacità di aggiungere o rimuovere un elettrone da un particolare atomo rappresenta infatti, secondo IBM , un decisivo passo avanti verso lo sviluppo di dispositivi di dimensioni atomiche. La commutazione tra i differenti stati di carica di un atomo permette, per esempio, di controllare la reattività chimica, le proprietà ottiche o il momento magnetico.

Come riportato dalla celebre rivista Science, i ricercatori IBM Jascha Repp e Gerhard Meyer hanno aggiunto e rimosso un singolo elettrone su uno specifico atomo di oro (Au) posizionando la punta di un microscopio a scansione effetto tunnel (STM) a bassa temperatura sopra l’atomo e applicando un impulso elettrico. Questa manipolazione non ha effetti sulla posizione laterale dell’atomo di oro assorbito da una pellicola isolante ultrasottile – spessa solamente due strati atomici – di cloruro di sodio (NaCl) posta su un substrato metallico.

L'immagine tridimensionale in falso colore prodotta dal microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) mostra due atomi d'oro sulla superficie isolante di una pellicola di NaCl. L'atomo a sinistra è stato intenzionalmente trasferito dal suo stato neutro a quello di ione negativo attraverso una manipolazione dell'STM “Cosa ancora più importante – ha spiegato IBM -, entrambi gli stati di carica dell’atomo sono risultati stabili: l’elettrone aggiunto, cioè, rimane sull’atomo fino a quando non viene applicato un impulso elettrico di segno opposto. La stabilizzazione di stati di carica differenti avviene mediante minuscoli cambiamenti nelle posizioni degli atomi sulla pellicola di ioni. Grazie alla forte polarizzazione ionica della pellicola, lo ione Cl- posto sotto l’atomo di oro si sposta verso il basso, mentre gli ioni Na+ circostanti si spostano verso l’alto. Questo particolare pattern genera un potenziale attrattivo per la nuova carica sull’atomo Au. Nell’immagine restituita dall’STM, il nuovo stato di carica dell’atomo di oro appare come un solco circolare intorno all’atomo”.

“Un semplice trasferimento di elettrone senza cambiamenti duraturi delle posizioni del nucleo di ioni non risulterebbe stabile dal momento che un elettrone che risieda in uno stato eccitato sull’atomo Au manipolato passerebbe rapidamente per effetto tunnel al metallo del substrato”, ha spiegato Repp, che ha progettato e condotto l’esperimento.

L'immagine prodotta dal microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) mostra due atomi d'oro sulla superficie isolante di una pellicola di NaCl. L'atomo a sinistra è stato intenzionalmente trasferito dal suo stato neutro a quello di ione negativo attraverso una manipolazione dell'STM. La modifica dello stato di carica è provata dal solco scuro che circonda l'atomo d'oro “La nostra scoperta rappresenta un importante passo avanti verso l’impiego di un singolo atomo o di una singola molecola come blocco elementare per una possibile tecnologia futura operante su scala atomica”, ha commenta Gerhard Meyer, che guida il lavoro di ricerca basato sull’STM presso l’IBM Zurich Research Laboratory. “A livello nanometrico, la creazione di strutture funzionali complesse richiederà la capacità di controllare non solo la posizione e le proprietà geometriche e meccaniche degli atomi, ma anche i parametri elettronici e chimici a livello atomico”.

Nel 1990 Don Eigler, dell’IBM Almaden Research Center di San Jose, in California, aveva dimostrato la possibilità di utilizzare un STM per posizionare atomi su una superficie mantenendo una precisione atomica della loro collocazione. Ora è stato compiuto il passo successivo manipolando gli elementi che costituiscono l’atomo.

“Le proprietà chimiche e fisiche degli ioni in genere – ha sottolineato Repp – sono qualitativamente differenti da quelle dei corrispondenti atomi neutri. Per questo le nostre scoperte avranno un impatto non solo sulla fisica ma anche sulla chimica. Le possibili applicazioni di questo fenomeno vanno dalla catalisi ai dispositivi di memoria non volatile fino alla tecnologia informatica quantistica”.

Un modello sferico che mostra la geometria dopo la manipolazione con il microscopio a scansione a effetto tunnel (STM). Le sfere che rappresentano Au, Cl-, Na+ e rame (Cu) sono colorate rispettivamente di oro, verde, blu e rosso Per interpretare i risultati sperimentali, Fredrik Olsson e Mats Persson della Chalmers University hanno utilizzato calcoli basati sui principi della DFT (Density Functional Theory). In accordo con gli esperimenti, l’analisi teorica conferma due differenti stati stabili per l’atomo Au: uno pressoché neutro, l’altro caricato negativamente da un elettrone.

Come si è detto, la possibilità di aggiungere e rimuovere una carica elettronica in modo controllato su un singolo atomo costituisce un decisivo passo avanti verso il futuro sviluppo di dispositivi di dimensioni atomiche. Per esempio, potrebbe condurre alla produzione di celle di memoria non volatile di dimensioni molto ridotte. Come ha spiega Rolf Allenspach, responsabile del lavoro di ricerca sulla fisica dei sistemi su scala nanometrica presso il laboratorio di Zurigo, “memorie di dimensioni atomiche aumenterebbero la quantità di dati archiviabili su una determinata area di almeno diecimila volte”. Un’altra possibilità riguarda la modifica delle proprietà di un materiale a livello atomico.

La collaborazione tra IBM e la Chalmers University è stata condotta all’interno del network ” Atomic and Molecular Manipulation as a new Tool for Science and Technology ” della Comunità Europea.

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26 07 2004
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