Un microscopio elettronico a scansione di un ponte d'oro sospeso a 40 nanometri sopra un substrato di silicio. Nell'esperimento, il ponte è reciso in mezzo, una singola molecola è sospesa attraverso lo spazio, e il substrato è piegato per allungare la molecola misurando contemporaneamente la corrente di elettroni attraverso la molecola. Immagine:J.J. Parchi
(PhysOrg.com) -- Con lo stiramento controllato delle molecole, I ricercatori della Cornell hanno dimostrato che i dispositivi a singola molecola possono fungere da nuovi potenti strumenti per esperimenti scientifici fondamentali. Il loro lavoro ha portato a test dettagliati di teorie esistenti da tempo su come gli elettroni interagiscono su scala nanometrica.
Il lavoro, guidato dal professore di fisica Dan Ralph, è pubblicato nell'edizione online del 10 giugno della rivista Scienza . Il primo autore è J.J. Parchi, un ex studente laureato nel laboratorio di Ralph.
Gli scienziati hanno studiato particolari molecole a base di cobalto con il cosiddetto spin intrinseco, una quantità quantizzata di momento angolare.
Le teorie postulate per la prima volta negli anni '80 prevedevano che lo spin molecolare avrebbe alterato l'interazione tra gli elettroni nella molecola e gli elettroni di conduzione che la circondano, e che questa interazione determinerebbe la facilità con cui gli elettroni fluiscono attraverso la molecola. Prima di adesso, queste teorie non erano state testate in dettaglio a causa delle difficoltà legate alla realizzazione di dispositivi con spin controllati.
La comprensione dell'elettronica a singola molecola richiede competenze sia in chimica che in fisica, e il team di Cornell ha specialisti in entrambi.
"La gente conosce le molecole ad alto spin, ma nessuno è stato in grado di mettere insieme chimica e fisica per stabilire un contatto controllato con queste molecole ad alto spin, " ha detto Ralf.
Schema del dispositivo controllabile meccanicamente utilizzato per allungare singole molecole misurando contemporaneamente la corrente di elettroni attraverso la molecola. Credito:Joshua Parks, Università Cornell
I ricercatori hanno effettuato le loro osservazioni allungando singole molecole contenenti spin tra due elettrodi e analizzando le loro proprietà elettriche. Hanno visto gli elettroni fluire attraverso il complesso di cobalto, raffreddato a temperature estremamente basse, tirando lentamente le estremità per allungarlo. In un punto particolare, è diventato più difficile far passare la corrente attraverso la molecola. I ricercatori avevano leggermente modificato le proprietà magnetiche della molecola rendendola meno simmetrica.
Dopo aver allentato la tensione, la molecola è tornata alla sua forma originale e ha iniziato a far passare corrente più facilmente, mostrando così che la molecola non era stata danneggiata. Misure in funzione della temperatura, il campo magnetico e l'estensione dello stiramento hanno fornito al team nuove informazioni su quale sia esattamente l'influenza dello spin molecolare sulle interazioni degli elettroni e sul flusso di elettroni.
Gli effetti dell'alto spin sulle proprietà elettriche dei dispositivi su scala nanometrica erano questioni interamente teoriche prima del lavoro di Cornell, disse Ralph. Realizzando dispositivi contenenti singole molecole ad alto spin e utilizzando lo stretching per controllare lo spin, il team di Cornell ha dimostrato che tali dispositivi possono fungere da potente laboratorio per affrontare queste questioni scientifiche fondamentali.
