Una simulazione basata sulla meccanica quantistica dimostra come un nuovo strumento NIST possa separare delicatamente una catena di atomi. Il grafico registra i salti quantici nella conduttività quando un contatto d'oro viene allungato di 0,6 nanometri. La giunzione passa da una struttura bidimensionale a una catena unidimensionale a singolo atomo, con un corrispondente calo di conducibilità. Seguendo l'ultimo punto, con una lunghezza del filo di 3,97 nm, la catena si è rotta. Attestazione:Tavazza, NIST
(PhysOrg.com) - Quanto è difficile tirare su un singolo atomo di - diciamo - oro per staccarlo dall'estremità di una catena di atomi simili?* È una misura del sorprendente progresso nella nanotecnologia che domande che una volta avrebbero interessato solo fisici o chimici vengono ora poste dagli ingegneri. Per aiutare con le risposte, un gruppo di ricerca presso il National Institute of Standards and Technology ha costruito uno strumento ultra stabile per tirare catene di atomi, uno strumento in grado di manovrare e mantenere la posizione di una sonda atomica entro 5 picometri.**
L'esperimento di base utilizza uno strumento progettato dal NIST ispirato al microscopio a effetto tunnel (STM). Lo strumento NIST utilizza come sonda una multa, filo d'oro puro trafilato a punta acuminata. La sonda viene toccata su una superficie piatta dorata, facendo sì che gli atomi di punta e di superficie si leghino, e gradualmente tirato via fino a formare una catena di un singolo atomo (vedi figura) e poi si rompe. Il trucco è farlo con un controllo posizionale così squisito che puoi dire quando gli ultimi due atomi stanno per separarsi, e mantieni tutto fermo; puoi a quel punto misurare la rigidità e la conduttanza elettrica della catena a singolo atomo, prima di romperlo per misurarne la forza.
Il team del NIST ha utilizzato una combinazione di design intelligente e attenzione ossessiva alle fonti di errore per ottenere risultati che altrimenti richiederebbero sforzi eroici per l'isolamento delle vibrazioni, secondo l'ingegnere Jon Pratt. Un sistema a fibre ottiche montato proprio accanto alla sonda utilizza la stessa superficie dorata toccata dalla sonda come uno specchio in un classico interferometro ottico in grado di rilevare variazioni di movimento molto inferiori alla lunghezza d'onda della luce. Il segnale dell'interferometro viene utilizzato per controllare il divario tra superficie e sonda. Contemporaneamente, viene misurata una minuscola corrente elettrica che scorre tra la superficie e la sonda per determinare quando la giunzione si è ristretta agli ultimi due atomi in contatto. Poiché ci sono così pochi atomi coinvolti, l'elettronica può registrare, con sensibilità al singolo atomo, i distinti salti di conduttività quando la giunzione tra sonda e superficie si restringe.
Il nuovo strumento può essere abbinato a uno sforzo di ricerca parallelo presso il NIST per creare un sensore di forza su scala atomica accurato, ad esempio, un microscopico cantilever simile a un trampolino la cui rigidità è stata calibrata sull'Electrostatic Force Balance del NIST. Il fisico Douglas Smith afferma che la combinazione dovrebbe rendere possibile la misurazione diretta della forza tra due atomi d'oro in un modo riconducibile agli standard di misurazione nazionali. E poiché due atomi d'oro qualsiasi sono essenzialmente identici, che darebbe ad altri ricercatori un metodo diretto per calibrare la loro attrezzatura. "Cerchiamo qualcosa che le persone che fanno questo tipo di misurazione possano usare come punto di riferimento per calibrare i loro strumenti senza doversi prendere tutti i problemi che facciamo, " dice Smith. "E se l'esperimento che stai eseguendo si calibra da solo perché la misurazione che stai facendo ha valori intrinseci? Puoi fare una misurazione elettrica abbastanza facile e osservando la conduttanza puoi dire quando sei arrivato a questa catena di un singolo atomo. Quindi puoi effettuare le tue misurazioni meccaniche sapendo quali dovrebbero essere quelle forze e ricalibrare il tuo strumento di conseguenza.
Oltre alla sua applicazione alla meccanica su scala nanometrica, dire la squadra del NIST, la stabilità a lungo termine del loro sistema su scala picometrica è promettente per lo studio del movimento degli elettroni nei sistemi unidimensionali e nella spettroscopia a singola molecola.
