Immagina singoli atomi. Mappa colline e valli su scala atomica su superfici metalliche e isolanti. E registra il flusso di corrente attraverso materiali sottili come un atomo soggetti a campi magnetici giganti. Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un nuovo strumento in grado di eseguire simultaneamente tre tipi di misurazioni su scala atomica. Insieme, queste misurazioni possono scoprire nuove conoscenze su un'ampia gamma di materiali speciali che sono cruciali per lo sviluppo della prossima generazione di computer quantistici, comunicazioni e una serie di altre applicazioni.

Dagli smartphone ai multicooker, i dispositivi che svolgono più funzioni sono spesso più convenienti e potenzialmente meno costosi degli strumenti monouso che sostituiscono, e le loro molteplici funzioni spesso funzionano meglio insieme che separatamente. Il nuovo strumento tre in uno è una sorta di coltellino svizzero per misurazioni su scala atomica. Il ricercatore del NIST Joseph Stroscio e i suoi colleghi, tra cui Johannes Schwenk e Sungmin Kim, presentare una ricetta dettagliata per costruire il dispositivo nel Rassegna di strumenti scientifici .

"Descriviamo un progetto che altre persone possono copiare, — disse Stroscio. — Possono modificare gli strumenti che hanno; non devono acquistare nuove attrezzature."

Effettuando simultaneamente misurazioni su scale che vanno dai nanometri ai millimetri, lo strumento può aiutare i ricercatori a concentrarsi sulle origini atomiche di diverse proprietà insolite nei materiali che potrebbero rivelarsi inestimabili per una nuova generazione di computer e dispositivi di comunicazione. Queste proprietà includono il flusso di corrente elettrica senza resistenza, salti quantici nella resistenza elettrica che potrebbero fungere da nuovi interruttori elettrici, e nuovi metodi per progettare bit quantistici, che potrebbe portare a computer quantistici a stato solido.

"Collegando l'atomico con la grande scala, possiamo caratterizzare i materiali in un modo che prima non potevamo, " disse Stroscio.

Sebbene le proprietà di tutte le sostanze abbiano le loro radici nella meccanica quantistica - le leggi fisiche che governano il regno lillipuziano di atomi ed elettroni - gli effetti quantistici possono spesso essere ignorati su larga scala come il mondo macroscopico che sperimentiamo ogni giorno. Ma per una classe di materiali molto promettente nota come materiali quantistici, che tipicamente sono costituiti da uno o più strati atomicamente sottili, forti effetti quantistici tra gruppi di elettroni persistono su grandi distanze e le regole della teoria quantistica possono dominare anche su scale di lunghezza macroscopiche. Questi effetti portano a proprietà notevoli che possono essere sfruttate per nuove tecnologie.

Per studiare più precisamente queste proprietà, Stroscio e i suoi colleghi hanno unito in un unico strumento un trio di dispositivi di misurazione di precisione. Due dei dispositivi, un microscopio a forza atomica (AFM) e un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM), esaminare le proprietà microscopiche dei solidi, mentre il terzo strumento registra la proprietà macroscopica del trasporto magnetico, il flusso di corrente in presenza di un campo magnetico.

"Nessun singolo tipo di misurazione fornisce tutte le risposte per comprendere i materiali quantistici, " ha detto il ricercatore del NIST Nikolai Zhitenev. "Questo dispositivo, con più strumenti di misura, fornisce un quadro più completo di questi materiali."

Per costruire lo strumento, il team del NIST ha progettato un AFM e un dispositivo di misurazione del trasporto magnetico più compatti e con meno parti mobili rispetto alle versioni precedenti. Hanno quindi integrato gli strumenti con un STM esistente.

Sia un STM che un AFM utilizzano una punta affilata come un ago per esaminare la struttura su scala atomica delle superfici. Un STM mappa la topografia delle superfici metalliche posizionando la punta entro una frazione di nanometro (miliardesimo di metro) del materiale in esame. Misurando il flusso di elettroni che fuoriesce dalla superficie metallica mentre la punta acuminata si libra appena sopra il materiale, l'STM rivela le colline e le valli su scala atomica del campione.

In contrasto, un AFM misura le forze modificando la frequenza alla quale la sua punta oscilla mentre si libra su una superficie. (La punta è montata su un cantilever in miniatura, che consente alla sonda di oscillare liberamente.) La frequenza di oscillazione si sposta quando la sonda affilata rileva le forze, come l'attrazione tra le molecole, o le forze elettrostatiche con la superficie del materiale. Per misurare il trasporto magnetico, una corrente viene applicata su una superficie immersa in un campo magnetico noto. Un voltmetro registra la tensione in diversi punti del dispositivo, rivelando la resistenza elettrica del materiale.

L'insieme è montato all'interno di un criostato, un dispositivo che raffredda il sistema fino a un centesimo di grado sopra lo zero assoluto. A quella temperatura, il jitter quantistico casuale delle particelle atomiche è ridotto al minimo e gli effetti quantistici su larga scala diventano più pronunciati e più facili da misurare. Il dispositivo tre in uno, schermato dai disturbi elettrici esterni, è anche da cinque a dieci volte più sensibile di qualsiasi precedente set di strumenti simili, avvicinandosi al limite fondamentale del rumore quantistico che può essere raggiunto a basse temperature.

Sebbene sia possibile per tre strumenti completamente indipendenti:un STM, un AFM e un sistema di trasporto magnetico, per effettuare le stesse misurazioni, inserire e poi ritrarre ogni strumento può disturbare il campione e diminuire l'accuratezza dell'analisi. Strumenti separati possono anche rendere difficile replicare le condizioni esatte, come la temperatura e l'angolo di rotazione tra ogni strato ultrasottile del materiale quantistico, sotto il quale sono state effettuate le misurazioni precedenti.

Per raggiungere l'obiettivo di uno strumento tre in uno ad alta sensibilità, il team del NIST ha collaborato con un team internazionale di esperti, tra cui Franz Giessibl dell'Università di Ratisbona, Germania, che ha inventato un AFM altamente efficace noto come qPlus AFM. Il team ha scelto un design compatto che ha aumentato la rigidità del microscopio e ha dotato il sistema di una serie di filtri per schermare il rumore delle radiofrequenze. L'ago atomicamente sottile dell'STM funge anche da sensore di forza per l'AFM, che si basava su un nuovo design del sensore di forza creato da Giessibl per lo strumento tre in uno.

Per Stroscio, un pioniere nella costruzione di STM sempre più sofisticati, il nuovo dispositivo è una sorta di culmine in una carriera di oltre tre decenni nella microscopia a scansione di sonda. La sua squadra, ha notato, aveva lottato per diversi anni per ridurre drasticamente il rumore elettrico nelle sue misurazioni. "Abbiamo ora raggiunto la massima risoluzione data dai limiti termici e quantistici in questo nuovo strumento, " Disse Stroscio.

"Mi sembra di aver scalato la vetta più alta delle Montagne Rocciose, " ha aggiunto. "È una bella sintesi di tutto ciò che ho imparato negli ultimi 30 anni e più".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.