(PhysOrg.com) -- All'avanguardia nella nanotecnologia, i ricercatori progettano macchine in miniatura per fare grandi lavori, dalla cura delle malattie allo sfruttamento della luce solare per produrre energia. Ma mentre spingono i limiti di questa tecnologia, i dispositivi stanno diventando così piccoli e sensibili che il comportamento dei singoli atomi inizia a intralciare. Ora i ricercatori del Caltech hanno, per la prima volta, misurato e caratterizzato queste fluttuazioni atomiche, che causano rumore statistico, in un dispositivo su scala nanometrica.

Il fisico Michael Roukes e i suoi colleghi sono specializzati nella costruzione di dispositivi chiamati sistemi nanoelettromeccanici, in breve NEMS, che hanno una miriade di applicazioni. Per esempio, rilevando la presenza di proteine ​​che sono marker di malattia, i dispositivi possono fungere da strumenti diagnostici economici e portatili, utili per mantenere in salute le persone nelle zone povere e rurali del mondo. Dispositivi simili possono misurare i gas tossici in una stanza chiusa, fornendo un avvertimento per gli abitanti.

Due anni fa, Il gruppo di Roukes ha creato il primo spettrometro di massa nanomeccanico al mondo, consentendo ai ricercatori di misurare la massa di una singola molecola biologica. Il dispositivo, un risonatore che ricorda un minuscolo ponte, è costituito da una sottile striscia di materiale lunga 2 micron e larga 100 nanometri che vibra a una frequenza di risonanza di diverse centinaia di megahertz. Quando un atomo è posto sul ponte, la frequenza si sposta in proporzione alla massa dell'atomo.

Ma con dispositivi sempre più sensibili, entrano in gioco i moti casuali degli atomi, generare rumore statistico. "È come nebbia o fumo che oscura ciò che stai cercando di misurare, "dice Roukes, chi è un professore di fisica, fisiche applicate, e bioingegneria. Per distinguere il segnale dal rumore, i ricercatori devono capire cosa sta causando il putiferio.

Così Roukes, insieme all'ex studente laureato e scienziato dello staff Philip X. L. Feng, ex studente laureato Ya-Tang (Jack) Yang, e l'ex postdoc Carlo Callegari, decise di misurare questo rumore in un risonatore NEMS. Hanno descritto i loro risultati nel numero di aprile della rivista Nano Letters.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno spruzzato gas xeno su un risonatore a ponte simile a quello usato per pesare le molecole biologiche. Lo xeno può accumularsi in uno strato spesso un atomo sulla superficie, come marmi che coprono un tavolo. In una tale disposizione, un cosiddetto monostrato, gli atomi sono ammassati così strettamente che non hanno molto spazio per muoversi. Ma per studiare il rumore, i ricercatori hanno creato un submonolayer, che non ha abbastanza atomi per coprire completamente la superficie del risonatore. A causa dello spazio extra, gli atomi hanno più libertà di muoversi, che genera più rumore nel sistema.

Gli atomi nel submonostrato fanno una delle tre cose:si attaccano alla superficie, staccarsi e volare via, o scivolare via. O in fisica parlare, gli atomi si adsorbono, desorbire, o diffuso. Le teorie precedenti avevano previsto che il rumore fosse molto probabilmente dovuto agli atomi che si attaccano e si staccano. Ma ora che i ricercatori sono stati in grado di osservare cosa accade effettivamente in un dispositivo del genere, hanno scoperto che la diffusione domina il rumore. Ciò che è degno di nota, dicono i ricercatori, è che hanno scoperto che quando un atomo scivola lungo la superficie del risonatore, fa fluttuare la frequenza di vibrazione del dispositivo. Questa è la prima volta che qualcuno ha misurato questo effetto, poiché i dispositivi precedenti non erano sensibili a questo tipo di diffusione. Hanno anche trovato nuove leggi di potenza negli spettri delle frequenze del rumore, descrizioni quantitative delle frequenze alle quali vibrano gli atomi.

C'è ancora molto da imparare sulla fisica di questo rumore, dicono i ricercatori. In definitiva, dovranno capire come sbarazzarsene o sopprimerlo per costruire dispositivi NEMS migliori. Ma capire questo rumore, misurando il movimento casuale dei singoli atomi, è di per sé una scienza affascinante, dice Roukes. "È una nuova finestra su come funzionano le cose nel mondo su scala nanometrica".