Alcuni dei fenomeni più promettenti e sconcertanti della fisica si svolgono su scala nanometrica, dove uno spostamento di un miliardesimo di metro può creare o interrompere una perfetta conduttività elettrica.

Ora, scienziati hanno sviluppato un nuovo metodo per sondare tridimensionale, complessità su scala atomica e composizioni chimiche con una precisione senza precedenti. La tecnica rivoluzionaria—descritta il 6 febbraio sulla rivista Nano lettere — combina la microscopia a forza atomica con la spettroscopia in campo vicino per esporre il danno sorprendente causato anche dalle forze più sottili.

"Questo è come dare la vista ai ciechi, ", ha affermato l'autore principale Adrian Gozar della Yale University. "Possiamo finalmente vedere le variazioni importantissime che dettano la funzionalità su questa scala ed esplorare meglio sia l'elettronica all'avanguardia che le questioni fondamentali che persistono da decenni".

Scienziati dell'Università di Yale, Università di Harvard, e il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato la tecnica per determinare il motivo per cui una particolare tecnica di fabbricazione del dispositivo - litografia a fascio di ioni di elio - non è riuscita a creare la scalabile, nanofili superconduttori ad alte prestazioni previsti sia dalla teoria che dalla simulazione.

Nei lavori precedenti, fasci di ioni pesanti sono stati usati per intagliare canali larghi 10 nm, circa 10, 000 volte più sottile di un capello umano, grazie a materiali su misura. Però, il nuovo studio ha rivelato danni indotti dal raggio che si propagano a oltre 50 volte quella distanza. A questa scala, quella differenza era sia impercettibile che funzionalmente catastrofica.

"Questo affronta direttamente la sfida dell'informatica quantistica, Per esempio, dove aziende tra cui IBM e Google stanno esplorando i nanofili superconduttori ma necessitano di sintesi e caratterizzazione affidabili, ", ha affermato Ivan Bozovic, coautore dello studio e fisico del Brookhaven Lab.

Scrivere con gli ioni

Un progetto promettente per dispositivi superconduttori ad alta temperatura è l'alternanza di interfacce superconduttore-isolante-superconduttore (SIS) o le cosiddette giunzioni Josephson. Questi sono teoricamente facili da fabbricare mediante scrittura diretta del raggio, supponendo che si possa ottenere una precisione sufficiente.

La litografia a fascio di ioni di elio (HIB) era un candidato perfetto, dimostrato di recente in materiali simili e adatto per la produzione rapida e scalabile di nanofili superconduttori e giunzioni Josephson.

"HIB ci consente di focalizzare il raggio di particelle a meno di un singolo nanometro e di "scrivere" efficacemente modelli per creare interfacce superconduttive, " ha detto Nicholas Litombe, che ha guidato il lavoro dell'HIB sotto la guida della professoressa Jenny Hoffman di Harvard, un coautore di questo studio. "Abbiamo deciso di spostare quella tecnica su un'altra classe di materiali:i film sottili LSCO".

La collaborazione è iniziata con il meticoloso assemblaggio di film sottili LSCO perfetti, così chiamati per il loro uso di lantanio, stronzio, rame, e ossigeno. Il gruppo di Bozovic a Brookhaven ha usato una tecnica chiamata epitassia a fascio molecolare strato per strato atomico, che possono creare film superconduttori ed eterostrutture atomicamente perfette.

"Ho un interesse e una specializzazione di lunga data nell'uso della fisica interfase per indurre e comprendere la superconduttività ad alta temperatura, " Bozovic ha detto. "HIB ci offre un modo completamente nuovo per esplorare questi materiali su scala nanometrica".

Litombe ha inciso i canali di interfaccia ultra precisi nei film sottili di Bozovic. Ma i risultati immediati sono stati scoraggianti:la superconduttività prevista è stata completamente soppressa quando la corrente ha attraversato fili più stretti di un paio di centinaia di nanometri.

"I nostri modelli al computer e i risultati sperimentali sembravano tutti eccellenti, ma sapevamo che c'erano forze nascoste all'opera, " Litombe ha detto. "Avevamo bisogno di una visione più profonda della struttura materiale".

Parafulmine criogenico

La composizione del materiale e le proprietà elettroniche possono essere individuate attraverso il modo in cui assorbono ed emettono luce, un campo di vecchia data chiamato spettroscopia. Nel caso della superconduttività, questo può distinguere tra la superficie "lucida" di un metallo conduttivo rispetto all'ottusità di un isolante che interrompe la corrente.

Gli scienziati si sono rivolti alla microscopia ottica a scansione in campo vicino (SNOM) per esaminare la lucentezza spettroscopica sui percorsi HIB. Ma questa tecnica, che incanala la luce attraverso un capillare di vetro dorato, ha un limite di risoluzione di circa 100 nanometri, troppo grande per esaminare le interfacce superconduttive su nanoscala.

Fortunatamente, Gozar ha costruito uno strumento specializzato per aumentare radicalmente la risoluzione spettroscopica. La macchina, costruito interamente al Brookhaven Lab e ora ospitato a Yale, combina SNOM con la microscopia a forza atomica (AFM). Come la puntina di un giradischi che estrae il suono dalla trama del vinile, un ago AFM viaggia su un materiale e legge la topografia atomica.

"Qui, l'ago dell'AFM agisce come un parafulmine, incanalare la luce SNOM fino a poche decine di nanometri, " Ha detto Gozar. "Abbiamo simultanea topografia AFM e dati spettroscopici sulle strutture chimiche profonde".

In modo cruciale, Il sistema AFM-SNOM di Gozar funziona anche alle temperature criogeniche richieste per testare questi materiali, una capacità offerta solo da pochi laboratori al mondo.

Rovina diffusa

La nuova tecnica ha rivelato il danno inaspettato e diffuso lasciato sulla scia degli ioni di elio. Nonostante il fuoco di 0,5 nanometri del raggio, i suoi effetti hanno scosso gli atomi su una diffusione di 500 nanometri e hanno alterato la struttura abbastanza da prevenire la superconduttività. Per la costruzione di nanomateriali, questo cosiddetto straggle laterale è del tutto insostenibile.

"Anche la minima spinta su questa scala manda in frantumi i potenti fenomeni che intendiamo sfruttare, " Ha detto Litombe. "La superconduttività ad alta temperatura può avere una distanza di coerenza di pochi atomi, quindi questo effetto laterale è devastante. Noi siamo, Certo, ancora entusiasta di esplorare i dettagli mai visti prima."

Aggiunto Bozovic, "In un senso, l'intero risultato è stato negativo. Il nostro obiettivo iniziale di creare fili superconduttori di spessore nanometrico non è stato completamente raggiunto. Ma capire perché ha aperto alcune porte davvero entusiasmanti".

La tecnica SNOM-AFM è facilmente applicabile a campi come la plasmonica per la tecnologia di visualizzazione e lo studio del meccanismo alla base della superconduttività ad alta temperatura.

"La risoluzione su scala nanometrica e le capacità tomografiche dello strumento, ci ha messo sul punto di scoprire nuove verità sui fenomeni su scala nanometrica e sulla tecnologia che potenzia, " disse Gozar.