Scienziati e ingegneri che lavorano alla frontiera della nanotecnologia devono affrontare enormi sfide. Quando la posizione di un singolo atomo in un materiale può cambiare le proprietà fondamentali di quel materiale, gli scienziati hanno bisogno di qualcosa nella loro cassetta degli attrezzi per misurare come si comporterà quell'atomo.

Un gruppo di ricerca guidato dall'Università di Leeds, in collaborazione con i colleghi dell'Università Sorbona di Parigi, Francia, hanno dimostrato per la prima volta che è possibile sviluppare una tecnica diagnostica vagamente collegata all'idea di un diapason.

Un diapason produce un tono fisso quando gli viene applicata energia, in tal caso, quando viene colpito. Ma se la forcella è in qualche modo alterata, stona:il tono cambia.

La tecnica utilizzata dal team di ricerca prevede l'emissione di un fascio di elettroni su un singolo atomo in un solido. Quel flusso di energia fa vibrare lui e gli atomi che lo circondano.

Questo crea un'impronta digitale di energia vibrazionale unica, simile al tono fisso di un diapason, che può essere registrato da un microscopio elettronico. Ma se è presente un singolo atomo di impurità, un altro elemento chimico, ad esempio, l'impronta energetica vibrazionale di quell'impurità cambierà:il materiale “suonerà” in modo diverso in questa precisa posizione.

La ricerca apre alla possibilità che gli scienziati saranno in grado di monitorare i materiali per le impurità atomiche.

Le scoperte, Spettroscopia vibrazionale a singolo atomo nel microscopio elettronico a scansione, sono pubblicati oggi sulla rivista Scienza .

Quentin Ramasse, Professore di Advanced Electron Microscopy a Leeds che ha guidato il progetto, ha detto:"Ora abbiamo la prova diretta che un singolo atomo "estraneo" in un solido può cambiare la sua proprietà vibrazionale su scala atomica.

"Questo è stato previsto per decenni, ma non c'è stata alcuna tecnica sperimentale per osservare direttamente questi cambiamenti vibrazionali. Siamo stati in grado di dimostrare per la prima volta che è possibile registrare quella firma del difetto con precisione atomica".

I ricercatori hanno utilizzato il Laboratorio SuperSTEM, il Centro di ricerca nazionale del Regno Unito per la microscopia elettronica avanzata, sostenuto dall'Engineering and Physical Research Council (EPSRC).

La struttura ospita alcune delle strutture più avanzate al mondo per lo studio della struttura atomica della materia, ed è gestito sotto gli auspici di un consorzio accademico guidato dall'Università di Leeds (che include anche le Università di Oxford, York che sono stati coinvolti in questo progetto, così come Manchester, Glasgow e Liverpool).

Gli scienziati hanno individuato un singolo atomo di impurità di silicio in un grande cristallo di grafene (una forma di carbonio dello spessore di un solo atomo) e quindi hanno focalizzato il raggio del loro microscopio elettronico direttamente su quell'atomo.

Il professor Ramasse ha detto:"Lo stiamo colpendo con un raggio di elettroni, che fa muovere o vibrare l'atomo di silicio, assorbendo parte dell'energia del fascio di elettroni in ingresso nel processo e stiamo misurando la quantità di energia che viene assorbita."

L'animazione illustra schematicamente come vibra il silicio, e come quella vibrazione inizia a influenzare gli atomi vicini, ed è ispirato da ampi calcoli teorici del team del Dr. Guillaume Radtke presso l'Università della Sorbona, che hanno collaborato a questo progetto.

"La risposta vibrazionale che osserviamo è unica per come questo particolare atomo di silicio si trova all'interno del reticolo di grafene, " ha aggiunto il dottor Radtke. "Potremmo prevedere come la sua presenza perturberebbe la rete circostante di atomi di carbonio, ma questi esperimenti rappresentano una vera conquista tecnica perché ora siamo in grado di misurare con precisione atomica un cambiamento così sottile".