(PhysOrg.com) -- La scorsa settimana i ricercatori IBM hanno pubblicato una tecnica rivoluzionaria nella rivista peer-reviewed Scienza che misura per quanto tempo un singolo atomo può contenere informazioni, e dando agli scienziati la possibilità di registrare, studiare e "visualizzare" fenomeni estremamente veloci all'interno di questi atomi.

Proprio come i primi film trasmettevano il movimento attraverso la fotografia ad alta velocità, gli scienziati di IBM Research - Almaden utilizzano lo Scanning Tunneling Microscope come una telecamera ad alta velocità per registrare il comportamento dei singoli atomi a una velocità circa un milione di volte più veloce di quanto fosse possibile in precedenza. I ricercatori IBM di Zurigo hanno inventato il microscopio a scansione a tunnel nel 1981 e sono stati insigniti del premio Nobel.

Per più di due decenni gli scienziati IBM hanno spinto i confini della scienza utilizzando il microscopio a scansione tunnel per comprendere le proprietà fondamentali della materia su scala atomica, con un vasto potenziale di innovazione rivoluzionaria nell'archiviazione e nel calcolo delle informazioni.

La capacità di misurare fenomeni veloci in nanosecondi apre un nuovo regno di esperimenti per gli scienziati, poiché ora possono aggiungere la dimensione del tempo a esperimenti in cui si verificano cambiamenti estremamente rapidi. Per mettere questo in prospettiva, la differenza tra un nanosecondo e un secondo è circa lo stesso confronto tra un secondo e 30 anni. Durante quel periodo accade un'immensa quantità di fisica che gli scienziati in precedenza non potevano vedere.

"Questa tecnica sviluppata dal team di ricerca IBM è una nuova capacità molto importante per caratterizzare piccole strutture e comprendere cosa sta accadendo in tempi rapidi, " ha detto Michael Crommie, Università della California, Berkeley. "Sono particolarmente entusiasta della possibilità di generalizzarlo ad altri sistemi, come il fotovoltaico, dove una combinazione di alta risoluzione spaziale e temporale ci aiuterà a comprendere meglio vari processi su nanoscala importanti per l'energia solare, compreso l'assorbimento della luce e la separazione della carica."

Oltre a consentire agli scienziati di comprendere meglio i fenomeni su scala nanometrica nelle celle solari, questa svolta potrebbe essere utilizzata per studiare aree come:

• Calcolo quantistico. I computer quantistici sono un tipo di computer radicalmente diverso - non legato alla natura binaria dei computer tradizionali - con il potenziale per eseguire calcoli avanzati che oggi non sono possibili. Con la svolta odierna, gli scienziati avranno un nuovo e potente modo per esplorare la fattibilità di un nuovo approccio al calcolo quantistico attraverso spin atomici sulle superfici.

• Tecnologie di archiviazione delle informazioni. Man mano che la tecnologia si avvicina alla scala atomica, gli scienziati hanno esplorato i limiti dell'archiviazione magnetica. Questa svolta consente agli scienziati di "vedere" le proprietà elettroniche e magnetiche di un atomo ed esplorare se le informazioni possono essere archiviate in modo affidabile su un singolo atomo.

Come funziona

Poiché lo spin magnetico di un atomo cambia troppo velocemente per essere misurato direttamente utilizzando le tecniche del microscopio a scansione a effetto tunnel precedentemente disponibili, il comportamento dipendente dal tempo viene registrato stroboscopicamente, in un modo simile alle tecniche utilizzate per la prima volta nella creazione di immagini in movimento, o come nella fotografia time lapse di oggi.

Utilizzando una tecnica di misurazione “pump-probe”, un impulso di tensione veloce (l'impulso di pompa) eccita l'atomo e un successivo impulso di tensione più debole (l'impulso di sonda) quindi misura l'orientamento del magnetismo dell'atomo in un certo momento dopo l'eccitazione. In sostanza, il tempo di ritardo tra la pompa e la sonda imposta il tempo di frame di ogni misurazione. Questo ritardo viene quindi variato passo dopo passo e il movimento magnetico medio viene registrato in piccoli incrementi di tempo. Per ogni incremento di tempo, gli scienziati ripetono gli impulsi di tensione alternata circa 100, 000 volte, che dura meno di un secondo.

Nell'esperimento, gli atomi di ferro sono stati depositati su uno strato isolante dello spessore di un solo atomo e supportati su un cristallo di rame. Questa superficie è stata selezionata per consentire la sonda elettrica degli atomi mantenendo il loro magnetismo. Gli atomi di ferro sono stati quindi posizionati con precisione atomica accanto ad atomi di rame non magnetici per controllare l'interazione del ferro con l'ambiente locale degli atomi vicini.

Le strutture risultanti sono state quindi misurate in presenza di diversi campi magnetici per rivelare che la velocità con cui cambiano il loro orientamento magnetico dipende sensibilmente dal campo magnetico. Ciò ha mostrato che gli atomi si rilassano per mezzo del tunneling meccanico quantistico del momento magnetico dell'atomo, un processo intrigante mediante il quale il magnetismo dell'atomo può invertire la sua direzione senza passare per orientamenti intermedi. Questa conoscenza può consentire agli scienziati di progettare la durata magnetica degli atomi per renderli più lunghi (per mantenere il loro stato magnetico) o più brevi (per passare a un nuovo stato magnetico) secondo necessità per creare futuri dispositivi spintronici.

“Questa svolta ci consente - per la prima volta - di capire per quanto tempo le informazioni possono essere conservate in un singolo atomo. Oltre questo, la tecnica ha un grande potenziale perché è applicabile a molti tipi di fisica che si verificano su scala nanometrica, ” ha detto Sebastian Loth, Ricerca IBM. "Il continuo investimento di IBM nella scienza esplorativa e fondamentale ci consente di esplorare il grande potenziale della nanotecnologia per il futuro del settore IT".