Utilizzando una singola molecola come sensore, gli scienziati di Jülich hanno ripreso con successo i campi di potenziale elettrico con una precisione senza pari. Le immagini ad altissima risoluzione forniscono informazioni sulla distribuzione delle cariche nei gusci elettronici delle singole molecole e persino degli atomi. La tecnica 3D è anche senza contatto. I primi risultati ottenuti utilizzando la "microscopia a scansione di punti quantici" sono stati pubblicati nell'attuale numero di Lettere di revisione fisica . La relativa pubblicazione è stata scelta come suggerimento dell'editore e selezionata come punto di vista nel portale della scienza Fisica. La tecnica è rilevante per diversi campi scientifici, comprese le indagini su biomolecole e materiali semiconduttori.

"Il nostro metodo è il primo a visualizzare quantitativamente i campi elettrici vicino alla superficie di un campione con precisione atomica su scala sub-nanometrica, " afferma il Dr. Ruslan Temirov del Forschungszentrum Jülich. Tali campi elettrici circondano tutte le nanostrutture come un'aura. Le loro proprietà forniscono informazioni, ad esempio, sulla distribuzione delle cariche negli atomi o nelle molecole.

Per le loro misurazioni, i ricercatori Jülich hanno utilizzato un microscopio a forza atomica. Funziona un po' come un giradischi:una punta si muove sul campione e mette insieme un'immagine completa della superficie. Per immaginare i campi elettrici fino ad ora, gli scienziati hanno utilizzato l'intera parte anteriore della punta di scansione come sonda Kelvin. Ma la grande differenza di dimensioni tra la punta e il campione causa difficoltà di risoluzione - se dovessimo immaginare che un singolo atomo avesse le stesse dimensioni della testa di uno spillo, allora la punta del microscopio sarebbe grande quanto l'Empire State Building.

Singola molecola come sensore

Per migliorare la risoluzione e la sensibilità, gli scienziati di Jülich hanno attaccato una singola molecola come punto quantico alla punta del microscopio. I punti quantici sono strutture minuscole, misurando non più di pochi nanometri di diametro, che a causa del confinamento quantistico può solo assumere certe, stati discreti paragonabili al livello energetico di un singolo atomo.

La molecola sulla punta del microscopio funziona come un bilanciere, che si inclina da una parte o dall'altra. Uno spostamento in una direzione o nell'altra corrisponde alla presenza o assenza di un elettrone aggiuntivo, che o salta dalla punta alla molecola oppure no. L'equilibrio "molecolare" non mette a confronto pesi ma bensì due campi elettrici che agiscono sull'elettrone mobile del sensore molecolare:il primo è il campo di una nanostruttura da misurare, e il secondo è un campo che circonda la punta del microscopio, che porta una tensione.

"La tensione sulla punta viene variata fino a raggiungere l'equilibrio. Se sappiamo quale tensione è stata applicata, possiamo determinare il campo del campione nella posizione della molecola, " spiega il dottor Christian Wagner, un membro del gruppo Young Investigators di Temirov presso l'Istituto Peter Grünberg di Jülich (PGI-3). "Poiché l'intero equilibrio molecolare è così piccolo, comprendente solo 38 atomi, possiamo creare un'immagine molto nitida del campo elettrico del campione. È un po' come una fotocamera con pixel molto piccoli".

Universalmente applicabile

È in attesa di brevetto per il metodo, particolarmente adatto per la misurazione di superfici ruvide, ad esempio quelli di strutture a semiconduttore per dispositivi elettronici o biomolecole piegate. "A differenza di molte altre forme di microscopia a scansione di sonda, La microscopia a scansione di punti quantici può funzionare anche a una distanza di diversi nanometri. Nel nanomondo, questa è una distanza piuttosto considerevole, " dice Christian Wagner. Fino ad ora, la tecnica sviluppata a Jülich è stata applicata solo in alto vuoto ea basse temperature:prerequisiti essenziali per fissare con cura la singola molecola alla punta del microscopio.

"In linea di principio, sono ipotizzabili variazioni che funzionerebbero a temperatura ambiente, " crede il fisico. Altre forme di punti quantici potrebbero essere usate come sensore al posto della molecola, come quelli che possono essere realizzati con materiali semiconduttori:un esempio potrebbero essere i punti quantici fatti di nanocristalli come quelli già utilizzati nella ricerca fondamentale.