Cosa accadrebbe se una corrente elettrica non scorresse più, ma gocciolava invece? Questa è stata la domanda indagata dai ricercatori che lavorano con Christian Ast al Max Planck Institute for Solid State Research. La loro indagine ha comportato il raffreddamento del microscopio a scansione a effetto tunnel fino a quindici millesimi di grado sopra lo zero assoluto. A queste temperature estremamente basse, gli elettroni rivelano la loro natura quantistica. La corrente elettrica è quindi un mezzo granulare, costituito da singole particelle. Gli elettroni passano attraverso un conduttore come granelli di sabbia in una clessidra, un fenomeno che può essere spiegato con l'ausilio dell'elettrodinamica quantistica.

L'acqua che scorre da un rubinetto sembra un mezzo omogeneo:è impossibile distinguere tra le singole molecole d'acqua. Esattamente la stessa cosa vale per la corrente elettrica. In un cavo convenzionale scorrono così tanti elettroni che la corrente sembra essere omogenea. Sebbene non sia possibile distinguere i singoli elettroni, la meccanica quantistica dice che dovrebbero esistere. Allora come si comportano? In quali condizioni la corrente non scorre come l'acqua di un rubinetto, ma piuttosto gocciola come sabbia in una clessidra?

L'analogia con la clessidra è molto appropriata per il microscopio a effetto tunnel, dove un sottile, punta appuntita scansiona la superficie di un campione senza toccarlo effettivamente. Una piccola corrente scorre tuttavia, poiché c'è una leggera probabilità che gli elettroni "tunnel" dalla punta appuntita nel campione. Questa corrente di tunneling è una funzione esponenziale della separazione, ecco perché la punta appuntita si trova solo pochi Ångström (un decimilionesimo di millimetro) sopra il campione.

Piccole variazioni nella corrente di tunneling consentono quindi ai ricercatori di risolvere singoli atomi e strutture atomiche sulle superfici e di indagare sulla loro struttura elettronica. I microscopi a scansione a effetto tunnel sono quindi alcuni dei rivelatori più versatili e sensibili di tutta la fisica dello stato solido.

Anche in queste condizioni estreme - una minuscola corrente inferiore a un miliardesimo della corrente che scorre attraverso una lampadina da 100 watt - continuano a fluire miliardi di elettroni al secondo. Questo è troppo per discernere i singoli elettroni. La temperatura era scesa a circa quindici millesimi di grado sopra lo zero assoluto (cioè a meno 273.135°C o 15 mK) prima che gli scienziati vedessero che la corrente elettrica è costituita da singoli elettroni.

A questa bassa temperatura, strutture molto fini, che i ricercatori non si aspettavano, appaiono nello spettro. "Potremmo spiegare queste nuove strutture solo assumendo che la corrente di tunneling sia un mezzo granulare e non più omogeneo, "dice Asti, che guida il gruppo che lavora con il microscopio a effetto tunnel. Questa è quindi la prima volta che si mostra la piena natura quantistica del trasporto elettronico nel microscopio a effetto tunnel.

Anche la carica elettrica deve quindi essere quantizzata se si vuole spiegare appieno questo fenomeno quantomeccanico. "La teoria su cui si basa è stata sviluppata all'inizio degli anni '90. Ora che i problemi concettuali e pratici relativi alla sua applicazione ai microscopi a scansione a effetto tunnel sono stati risolti, è bello vedere come teoria ed esperimento combacino coerentemente, " dice Joachim Ankerhold dell'Università di Ulm, che ha fornito le basi teoriche.

Oltre a una teoria dettagliata, esperimenti di questo tipo richiedono un ambiente di laboratorio adeguato che riduca in larga misura i disturbi esterni. Dalla fine del 2012 è entrato in funzione un nuovo laboratorio di precisione nel campus degli Istituti Max Planck di Stoccarda; fornisce un ambiente di laboratorio quasi privo di disturbi per esperimenti altamente sensibili come il microscopio a effetto tunnel mK.

Lo strumento si trova nel laboratorio di precisione in un box dotato di schermatura sia acustica che elettromagnetica su un basamento in calcestruzzo antivibrante. "Vogliamo usarlo per avventurarci in nuove, territorio sconosciuto – cosa che abbiamo fatto con molto successo con questo esperimento, "dice Klaus Kern, Direttore del Max Planck Institute for Solid State Research.

Gli elettroni hanno già dimostrato la loro natura quantistica. Mentre vengono trasportati attraverso punti quantici, Per esempio, il flusso di corrente è specificamente bloccato in modo che gli elettroni appaiano singolarmente. Questo effetto è diventato evidente nel microscopio a scansione a effetto tunnel semplicemente raffreddandolo a temperature estremamente basse, però. "L'effetto tunnel ha sicuramente raggiunto il limite quantico qui, " afferma il membro del team Berthold Jäck. I ricercatori non vogliono vedere questo come un limite, però. "Queste temperature estremamente basse aprono un'inaspettata ricchezza di dettagli che ci consente di comprendere molto meglio la superconduttività e le interazioni luce-materia, "dice Christian Ast.