(a) e (b) mostrano i due stati stabili creati quando due atomi di Pb e tre di Si vengono riorganizzati in risposta alla scansione con la punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel. I due stati, che sono inversioni chirali l'una dell'altra, corrispondono a uno stato ad alta corrente e uno stato a bassa corrente, permettendo alla cellula di funzionare come un nuovo tipo di interruttore su scala atomica. Credito:Inami, et al. © 2015 Macmillan Publishers Limited
(Phys.org) —In uno degli interruttori più piccoli mai realizzati, cinque atomi sembrano "danzare" l'uno intorno all'altro in una complessa sequenza coreografica, con la loro disposizione finale corrispondente a uno dei due stati stabili. Questo movimento concertato di più atomi è diverso da quello di altri nanointerruttori, che tipicamente comportano il movimento di un solo atomo o molecola. Il movimento di più atomi conferisce all'interruttore un grande vantaggio:grazie alla sua stabilità, è uno dei pochi interruttori su scala atomica in grado di funzionare a temperatura ambiente invece che a temperature criogeniche.
I ricercatori, Eiichi Inami, et al., presso l'Università di Osaka e l'Istituto nazionale giapponese per la scienza dei materiali, hanno pubblicato il loro articolo sulla temperatura ambiente, dispositivo di commutazione su scala atomica in un recente numero di Comunicazioni sulla natura .
I nanointerruttori fanno parte dell'obiettivo più ampio di sviluppare componenti elettronici miniaturizzati, dove singoli atomi e molecole servono come i più piccoli elementi costitutivi fisicamente possibili. Gli scienziati usano le punte del microscopio, come quelli sui microscopi a effetto tunnel (STM) e sui microscopi a forza atomica (AFM), applicare impulsi a singolo elettrone che muovono singoli atomi e molecole in modo controllato.
Sebbene molti interruttori su scala atomica siano stati dimostrati utilizzando questi microscopi, la maggior parte degli interruttori funziona solo a temperature criogeniche. Questo perché il calore provoca processi incontrollabili che interferiscono con il movimento atomico, provocando la commutazione in momenti indesiderati.
Per fare una stalla, temperatura ambiente, interruttore su scala atomica, i ricercatori nel nuovo studio hanno utilizzato una punta di microscopio per raccogliere atomi di piombo (Pb) uno per uno e posizionarli in una cella di semiunità confinata su una superficie di silicio (Si). Sebbene i singoli atomi di Pb mostrino "saltellamenti termici, " i ricercatori hanno scoperto che un cluster di tre atomi di Pb (Pb 3 ) è termicamente stabile a temperatura ambiente grazie alle sue maggiori dimensioni, ma ancora abbastanza piccolo da rispondere alla corrente elettrica dalla punta del microscopio.
Come mostrato in esperimenti e modelli, ogni cella confinata ha due possibili disposizioni stabili di Pb 3 e atomi di silicio. Per passare da uno stato all'altro, una punta del microscopio viene scansionata su uno specifico atomo di Pb o Si, che innesca un movimento complesso che coinvolge due atomi di Pb e tre di Si. I ricercatori descrivono questo movimento come un'inversione chirale, il che significa che i due stati stabili sono immagini speculari l'uno dell'altro dopo essere stati traslati e ruotati. Questo "interruttore chirale" può essere commutato ripetutamente avanti e indietro tra i due stati, che corrispondono a correnti elettriche alte e basse.
"Il nostro controllo della nanostruttura può aggiungere una funzione a un cluster, "Inami ha spiegato a Phys.org . "Poiché un cluster, un'aggregazione da pochi a poche centinaia di atomi, a volte mostra proprietà superiori con dimensioni e composizione particolari, il controllo della struttura dei cluster è un approccio promettente alla realizzazione di dispositivi su scala atomica. La nostra tecnica consente la corretta regolazione delle dimensioni dei cluster e degli atomi costituenti con la precisione di un singolo atomo. Usando questo metodo, abbiamo controllato con precisione la stabilità strutturale di un cluster in modo che funzioni come un interruttore della temperatura ambiente".
Globale, lo switch dimostra che Pb 3 può potenzialmente funzionare come unità di base della memoria. Per realizzare un dispositivo di memoria completo, diverse celle devono essere integrate in un periodico, matrice ben ordinata. Gli scienziati suggeriscono che i processi di autoassemblaggio potrebbero essere utilizzati per costruire un tale dispositivo di memoria, e può infine portare alla registrazione e alla lettura di informazioni ad altissima densità a temperatura ambiente.
"Pensiamo che questo passaggio possa diventare un potente strumento per la ricerca di base, " ha detto Inami. "Per esempio, l'interruttore ha una caratteristica interessante, che il passaggio avviene tra chiralità opposta, conseguente interruttore chirale. La tecnologia chirale mirata alla sintesi di "composti enantiopuri" [che hanno una sola forma chirale] fornisce il controllo definitivo delle reazioni chimiche ed è stata un obiettivo in fisica, chimica, biologia e farmacologia. Il nostro approccio può costruire motivi chirali commutabili in posizioni atomicamente precise, come la creazione di domini/cluster omochirali e l'allocazione di specie chirali vicino ad alcuni elementi reattivi. Questi possono fornire un indizio per comprendere fondamentalmente le reazioni selettive chirali da una vista microscopica".
Nel futuro, i ricercatori intendono applicare la loro tecnica alla progettazione di altri dispositivi su scala nanometrica.
"Uno dei nostri piani futuri è esplorare altre nuove funzionalità nascoste in diversi cluster, " Ha detto Inami. "La nostra tecnica per costruire cluster definiti atomicamente è ampiamente applicabile a vari elementi. Questo ci motiva a creare una varietà di cluster con diverse funzionalità e ad incorporarli sistematicamente nelle regioni desiderate su scala nanometrica. Riteniamo che questo apra una nuova nanofabbricazione per ottenere un'elettronica integrata su scala atomica".
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