Un microscopio elettronico non può semplicemente scattare una foto come può fare la fotocamera di un telefono cellulare. La capacità di un microscopio elettronico di visualizzare una struttura - e quanto successo avrà questa immagine - dipende da quanto bene si comprende la struttura. Spesso sono necessari calcoli fisici complessi per sfruttare appieno il potenziale della microscopia elettronica. Un team di ricerca internazionale guidato dal Prof. Peter Schattschneider della TU Wien ha deciso di analizzare le opportunità offerte da EFTEM, che è la microscopia elettronica a trasmissione filtrata dall'energia. Il team ha dimostrato numericamente che in determinate condizioni, è possibile ottenere immagini nitide dell'orbitale di ogni singolo elettrone all'interno di un atomo. La microscopia elettronica può quindi essere utilizzata per penetrare fino al livello subatomico:sono già previsti esperimenti in questo settore. Lo studio è stato ora pubblicato sulla rivista di fisica Lettere di revisione fisica .

Alla ricerca dell'orbitale elettronico

Spesso pensiamo agli elettroni atomici come a piccole sfere che girano intorno al nucleo dell'atomo come minuscoli pianeti attorno a un sole. Questa immagine si riflette a malapena nella realtà, però. Le leggi della fisica quantistica affermano che la posizione di un elettrone non può essere definita chiaramente in un dato momento. L'elettrone viene effettivamente spalmato su un'area vicino al nucleo. L'area che potrebbe contenere l'elettrone è chiamata orbitale. Sebbene sia stato possibile calcolare la forma di questi orbitali per molto tempo, gli sforzi per visualizzarli con i microscopi elettronici fino ad oggi non hanno avuto successo.

"Abbiamo calcolato come potremmo avere la possibilità di visualizzare gli orbitali con un microscopio elettronico", afferma Stefan Löffler del Centro servizi universitario per la microscopia elettronica a trasmissione (USTEM) della TU Wien. "Grafene, che è costituito da un solo strato di atomi di carbonio, è un ottimo candidato per questo compito. Il raggio di elettroni è in grado di passare facilmente attraverso il grafene con quasi nessuna dispersione elastica. Con questi elettroni si può creare un'immagine della struttura del grafene".

I ricercatori sono a conoscenza del principio della "microscopia elettronica a trasmissione filtrata dall'energia" (EFTEM) da tempo. EFTEM può essere utilizzato per creare visualizzazioni piuttosto specifiche di alcuni tipi di atomi, bloccando gli altri. Per questa ragione, è spesso usato oggi per analizzare la composizione chimica di campioni microscopici. "Gli elettroni sparati attraverso il campione possono eccitare gli atomi del campione", spiega Stefan Löffler. "Questo costa energia, quindi quando gli elettroni che emergono dal campione, sono più lenti di quando sono entrati. Questa variazione di velocità ed energia è caratteristica di alcune eccitazioni degli orbitali elettronici all'interno del campione".

Dopo che gli elettroni sono passati attraverso il campione, un campo magnetico ordina gli elettroni in base all'energia. "Un filtro viene utilizzato per bloccare gli elettroni che non interessano:l'immagine registrata contiene solo quegli elettroni che trasportano le informazioni desiderate".

I difetti possono essere utili

Il team ha utilizzato simulazioni per studiare come questa tecnica potrebbe aiutare a raggiungere un punto di svolta nello studio degli orbitali elettronici. Mentre lo fai, hanno scoperto qualcosa che in realtà ha facilitato l'imaging dei singoli orbitali:"La simmetria del grafene deve essere rotta", dice Stefano. "Se, ad esempio, c'è un buco nella struttura del grafene, gli atomi proprio accanto a questo buco hanno una struttura elettronica leggermente diversa, rendendo possibile l'immagine degli orbitali di questi atomi. La stessa cosa può accadere se da qualche parte nel grafene si trova un atomo di azoto anziché un atomo di carbonio. Quando si esegue questa operazione, è importante concentrarsi sugli elettroni che si trovano all'interno di una finestra energetica stretta e precisa, minimizzare alcune aberrazioni della lente elettromagnetica e, ultimo, ma non per importanza, utilizzare un microscopio elettronico di prim'ordine." Tutti questi problemi possono essere superati, però, come mostrano i calcoli del gruppo di ricerca.

La Humboldt-Universität zu Berlin, l'Università di Ulm, e la McMaster University in Canada hanno anche collaborato con la TU Wien allo studio in un progetto congiunto FWF-DFG ("Towards orbital mapping", I543-N20) e un progetto FWF Erwin-Schrödinger ("EELS at interfaces", J3732-N27). Ulm sta attualmente sviluppando un nuovo, microscopio elettronico a trasmissione ad alte prestazioni che verrà utilizzato per mettere in pratica queste idee nel prossimo futuro. I primi risultati hanno già superato le aspettative.