Scienziati dell'Università di Strasburgo, Francia, in stretta collaborazione con i colleghi dei centri di ricerca di San Sebastián, Spagna, e Julich, Germania, hanno raggiunto una svolta nella rilevazione dei momenti magnetici delle strutture su scala nanometrica. Sono riusciti a rendere visibili i momenti magnetici con una risoluzione fino al livello atomico utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel, un dispositivo che è stato standard nella scienza per molti anni. I ricercatori lo hanno reso sensibile alle proprietà magnetiche posizionando una piccola molecola contenente un atomo di nichel sulla punta del microscopio. I risultati pubblicati nell'attuale numero di Scienza apre un nuovo percorso per ottenere conoscenze fondamentali sulle strutture su scala atomica e per la progettazione di futuri dispositivi su scala atomica come dispositivi di archiviazione su scala nanometrica e simulatori quantistici.

Per esplorare il mondo dei singoli atomi e molecole, gli scienziati usano microscopi che non si basano su un raggio di luce o elettroni, ma possono piuttosto essere visti come la versione definitiva di un analogo giradischi. Questi strumenti, denominati microscopi a scansione di sonda, utilizzare l'estremità di un ago appuntito come punta per 'leggere' i solchi creati da atomi e molecole sulla superficie di appoggio. Per rilevare la vicinanza tra punta e superficie, gli scienziati utilizzano una minuscola corrente elettrica che inizia a fluire quando entrambe sono separate solo da una frazione di nanometro, ovvero un milionesimo di millimetro. La regolazione della punta per mantenere questa distanza consente l'imaging topografico mediante la scansione della superficie.

Mentre l'idea di base di tali microscopi è stata sviluppata dagli anni '80, solo nell'ultimo decennio gli scienziati di diversi laboratori hanno imparato ad espandere le capacità di questi microscopi progettando abilmente l'estremità della punta di indagine. Per esempio, legando una piccola molecola, come CO o idrogeno, è stato raggiunto un aumento senza precedenti della risoluzione spaziale in cui la flessibilità della molecola ha reso visibili anche i legami chimici.

Allo stesso modo, gli autori della recente pubblicazione in Scienza hanno appositamente realizzato la loro strumentazione per conferire una nuova funzione alla punta affilata:l'hanno resa sensibile ai momenti magnetici posizionando una molecola contenente un singolo atomo di nichel, un cosiddetto magnete molecolare quantistico, all'apice. Questa molecola può essere portata elettricamente in diversi stati magnetici con facilità in modo tale da agire come un minuscolo magnete. Mentre il suo stato fondamentale non possiede effettivamente alcun momento magnetico, i suoi stati eccitati hanno un momento magnetico che rileva i momenti vicini con una risoluzione spaziale senza precedenti e un'elevata sensibilità.

L'importanza di questo risultato è molteplice. Per la prima volta, questo metodo consente di visualizzare le strutture superficiali in combinazione con le loro proprietà magnetiche in risoluzione atomica. L'utilizzo di una molecola come sensore attivo lo rende molto riproducibile e di facile implementazione in strumenti utilizzati da altri gruppi mondiali operanti nel settore. Momenti magnetici "oscuri" di strutture magnetiche complesse, che di solito sono difficili da misurare, diventare accessibile, che è importante per comprendere la loro struttura interna. E il metodo offre un altro vantaggio. Poiché lo stato fondamentale del sensore molecolare non è magnetico, la misurazione induce solo una minima retroazione sul sistema in esame, che è importante per gli stati volatili su scala nanometrica.

In sintesi, con questo lavoro gli scienziati hanno ampliato la loro cassetta degli attrezzi su scala nanometrica con un nuovo strumento sensibile alle proprietà magnetiche che sarà importante per le applicazioni future, che vanno dai dispositivi di memoria su scala nanometrica a nuovi materiali o applicazioni nel campo della simulazione quantistica e dell'informatica.