Gli elettroni negli atomi sono piuttosto talentuosi. Possono formare legami chimici, vengono espulsi dall'atomo e persino "saltano" in luoghi diversi in base ai loro stati energetici.

Nel 1961, il fisico atomico Ugo Fano ha teorizzato che gli elettroni ospitano un altro e inaspettato talento:possono interferire con se stessi mentre prendono contemporaneamente due diversi percorsi quantomeccanici. In un percorso, saltano all'interno dell'atomo tra stati energetici discreti. Sull'altro sentiero, saltano dall'atomo nel continuum dello spazio libero. Fano sviluppò la sua teoria dopo aver studiato lo spettro elettronico del gas elio eccitato da un fascio di elettroni. Secondo la teoria di Fano, gli elettroni negli atomi di elio si muovevano attraverso due tipi di transizioni energetiche, una discreta e l'altra continua, che ha provocato interferenze distruttive attraverso la loro miscelazione sincronizzata.

Sebbene siano passati quasi 60 anni da quando Fano ha pubblicato la sua spiegazione teorica, ora nota come interferenza di Fano, gli scienziati hanno faticato a osservare questo effetto su scala nanometrica utilizzando un microscopio elettronico. Un team guidato da scienziati dell'Università di Washington e dell'Università di Notre Dame ha utilizzato i recenti progressi della microscopia elettronica per osservare le interferenze di Fano direttamente in una coppia di nanoparticelle metalliche, secondo un articolo pubblicato il 21 ottobre in Lettere di revisione fisica ed evidenziato dai redattori della rivista.

"Fano ha descritto un tipo complicato e persino controintuitivo di trasferimento di energia che può verificarsi in questi sistemi, " ha detto l'autore corrispondente David Masiello, un professore di chimica della UW. "È come avere due bambini su un'altalena vicini che sono debolmente accoppiati tra loro:spingi un bambino, ma quell'altalena non è quella che si muove. Anziché, l'altalena dell'altro bambino si muove a causa di questa interferenza. È un trasferimento di energia a senso unico".

Masiello, un teorico, collaborato con l'autore corrispondente e sperimentatore Jon Camden, professore di chimica e biochimica all'Università di Notre Dame, lavorare sulle interferenze di Fano in microscopia elettronica. In una pubblicazione del 2013 in ACS Nano , due di loro, insieme ai membri del gruppo di Masiello all'UW, hanno teorizzato che potrebbero innescare interferenze di Fano in alcuni tipi di nanostrutture plasmoniche. Si tratta di sistemi sperimentalmente testabili, solitamente costituiti da argento o oro o metalli coniati simili, in cui gli elettroni possono essere facilmente mobilitati ed "eccitati" in risposta alla luce o a un fascio di elettroni.

Masiello e Camden credevano che sarebbe stato possibile progettare e costruire un sistema che mostrasse interferenze di Fano usando componenti plasmonici su scala nanometrica. Ma, creare questo effetto richiederebbe un fascio di elettroni estremamente preciso, in cui gli elettroni hanno tutti approssimativamente la stessa energia cinetica. I ricercatori hanno collaborato con Juan Carlos Idrobo, uno scienziato all'Oak Ridge National Laboratory. Oak Ridge ospita un'avanzata struttura di microscopia elettronica, compreso il microscopio elettronico a trasmissione a scansione con correzione dell'aberrazione monocromatica di cui il team avrebbe bisogno.

"Questa è la Lamborghini dei microscopi elettronici, e rappresenta un progresso molto recente e sofisticato nella microscopia elettronica, " disse Masiello. "Questo esperimento non sarebbe stato possibile nemmeno diversi anni fa."

Ma progettare e produrre il giusto sistema plasmonico è stata anche una sfida per il team.

"La domanda di, "Potremmo vedere questa interferenza di Fano nella microscopia elettronica?" è stato molto più complicato di quanto ci aspettassimo, " ha detto Camden. "All'inizio ci siamo resi conto che le idee che la nostra squadra ha avuto non funzionavano. Ma alla fine, attraverso tentativi ed errori, abbiamo capito bene".

Il team di Masiello lavora sia sulla teoria dei plasmoni che sulla teoria della microscopia elettronica. Hanno usato modelli analitici del comportamento dei sistemi plasmonici per progettare il layout fisico, oltre a interpretare lo spettro, di un sistema tutto plasmonico. Questo sistema codificherebbe l'effetto di interferenza che il team ha cercato sugli elettroni sparsi del microscopio. Il primo autore e studente di dottorato in fisica alla UW, Kevin Smith, determinò che un "lecca lecca d'oro" era ottimale. Il sistema da lui progettato è costituito da un sottile, disco d'oro - solo 650 nanometri di diametro - seduto accanto, ma non toccando, un nanorod d'oro solo 5, 000 nanometri di lunghezza. Per riferimento, circa 20 di quei nanotubi, allineati da un capo all'altro, equivarrebbero allo spessore di un pezzo di carta.

Secondo il progetto teorico e l'analisi matematica di Smith, un raggio di elettroni diretto appena fuori dal disco dorato del lecca-lecca attiverebbe i segni rivelatori di un'interferenza di Fano:gli elettroni all'interno dell'asta lontana inizierebbero a oscillare, guidato solo attraverso il disco.

"Questo è esattamente ciò che abbiamo osservato quando i nostri collaboratori di Oak Ridge hanno testato il sistema, " ha detto Smith.

Il successo del team non solo dimostra che è possibile eccitare le interferenze di Fano direttamente in un sistema plasmonico utilizzando un fascio di elettroni. Fornisce inoltre nuovi quadri teorici e modelli per lavorare con sofisticati microscopi elettronici, come le strutture presenti all'Oak Ridge National Laboratory.

"C'è un entusiasmante livello di precisione che è possibile con questi tipi di microscopi elettronici, " ha detto Masiello. "Apre la porta a più esperimenti come questo, che combinano una risoluzione spaziale su scala atomica con un'elevata risoluzione spettrale dallo spettro visibile fino al lontano infrarosso".