Le nanostrutture possono essere progettate in modo tale che il confinamento quantistico consenta solo determinati livelli di energia degli elettroni. Ricercatori di IMDEA Nanociencia, UAM e ICMM-CSIC hanno, per la prima volta, osservato un modello discreto di energie degli elettroni in un sistema non confinato, che potrebbe portare a nuovi modi di modificare le proprietà superficiali dei materiali.

Un gruppo di ricerca dell'IMDEA Nanoscience e dell'Universidad Autónoma de Madrid ha trovato per la prima volta prove sperimentali che reticoli unidimensionali con periodicità su nanoscala possono interagire con gli elettroni di un gas bidimensionale separando spazialmente le loro diverse lunghezze d'onda per mezzo di un fenomeno fisico noto come Diffrazione di Bragg. Questo fenomeno è ben noto per la propagazione delle onde in generale ed è responsabile del colore iridescente osservato all'illuminazione della superficie di un CD. A causa della dualità onda-particella proposta da De Broglie nel 1924, gli elettroni presentano anche un comportamento ondulatorio e, così, fenomeni di diffrazione. In realtà, l'osservazione che gli elettroni liberi a bassa energia subiscono processi di diffrazione per interazione con reticoli atomici ben ordinati su superfici solide è stata la prima conferma sperimentale della dualità onda-particella. Elettroni bidimensionali legati a superfici solide, Certo, presentano anche un comportamento ondulatorio che potrebbe essere visualizzato direttamente negli anni '90 dalla microscopia a scansione tunnel. Però, l'osservazione della diffrazione di Bragg in tali sistemi era rimasta finora sfuggente.

In questo nuovo lavoro, pubblicato in Lettere di revisione fisica , il gruppo guidato da Roberto Otero ha costruito un reticolo di diffrazione con periodicità nanometrica mediante autoassemblaggio di molecole organiche su una superficie di rame. Tramite microscopia a effetto tunnel a scansione a bassa temperatura, i ricercatori hanno osservato le onde stazionarie causate dall'interferenza tra gli elettroni che arrivano al reticolo di diffrazione e quelli da esso riflessi, che ha permesso ai ricercatori di trovare prove sperimentali per la diffrazione di Bragg. Inoltre, gli autori hanno scoperto che i loro risultati non riflettono solo i fenomeni di diffrazione, ma anche che gli elettroni preferiscono interagire con il reticolo in modo tale che la loro direzione di incidenza venga invertita.

La considerazione simultanea di entrambi gli effetti ha portato gli autori a concludere che dovrebbe verificarsi una discretizzazione dei livelli energetici, simile a quello che avviene quando il moto dell'elettrone è confinato nello spazio. La discretizzazione dei livelli energetici al confinamento è una delle caratteristiche principali della meccanica quantistica, con molte applicazioni in nanoscienza e nanotecnologia, e attualmente consente ai ricercatori di controllare le proprietà ottiche ed elettroniche dei sistemi su scala nanometrica. I risultati di questa pubblicazione, così, può aprire nuove strade per fabbricare nuovi materiali e dispositivi che mostrano proprietà quantistiche senza confinamento quantistico.