Gli scienziati stanno lavorando duramente per progettare le proprietà delle nanostrutture, come atomi e molecole, per realizzare dispositivi logici efficienti in grado di operare alla scala fondamentale della materia, la scala degli atomi. Per rendere possibile l'"ingegneria" su quella scala, i ricercatori devono essere in grado di osservare la struttura interna di un atomo, la cosiddetta struttura orbitale, dove gli elettroni sono confinati in una serie di gusci.

In uno studio pubblicato questa settimana in ACS Nano , la ricerca condotta da QNS ha raggiunto un risultato senza precedenti:identificare come gli elettroni sono distribuiti tra gli orbitali di atomi e nanostrutture. Utilizzando generatori di raggi X di prim'ordine, chiamati sincrotroni, situato in Spagna, Svizzera, e Corea, il team ha identificato un metodo per distinguere le proprietà dei loro elettroni a seconda del loro orbitale.

"Non eravamo sicuri di poter effettivamente avere abbastanza sensibilità per sondare tutti questi orbitali atomici individualmente in strutture così piccole", afferma il Prof. Fabio Donati, il ricercatore principale da QNS. "Questo risultato si è rivelato un nuovo modo per rivelare il comportamento di questi atomi e possibilmente guidare l'ingegneria delle loro proprietà per realizzare futuri dispositivi su scala atomica".

Per questo studio, i ricercatori si sono concentrati sugli elementi lantanidi, la riga aggiuntiva nella parte inferiore della tavola periodica. Questi elementi sono attualmente studiati come potenziali magneti su scala atomica per realizzare bit classici o quantistici per la logica futura e i dispositivi di archiviazione della memoria. Essere in grado di usarli per questo scopo potrebbe consentire alla tecnologia di operare alla più piccola scala disponibile, offrendo enormi potenzialità in termini di miniaturizzazione.

Una caratteristica unica di questi elementi è che i loro elettroni più importanti, vale a dire quelli che forniscono la maggior parte della magnetizzazione dell'atomo, sono localizzati in orbitali specifici (chiamati 4f) che sono nascosti in profondità all'interno degli atomi. Perciò, è difficile usare una corrente elettrica per rilevarli, che potrebbero creare sfide per la loro integrazione nei dispositivi elettronici.

Gli scienziati stanno cercando di stabilire se gli elettroni provenienti da più esterni, e accessibile elettricamente, gli orbitali possono essere usati come canale di lettura invece degli elettroni più nascosti. "Avevamo bisogno di trovare una tecnica che potesse misurare gli elettroni in questi atomi, letteralmente orbitale per orbitale, per scoprire il modo in cui cooperano e contribuiscono alle proprietà magnetiche dell'atomo", afferma la dott.ssa Aparajita Singha di chi ha iniziato la ricerca come post-doc presso il QNS e ora guida un gruppo presso il Max Planck Institute for Solid State Research.

L'esperimento è stato eseguito utilizzando temperature molto basse (-270 C) per mantenere gli atomi di lantanidi "congelati" sul loro substrato di supporto, che è un film di ossido di magnesio. Era necessario utilizzare campi magnetici molto elevati:100, 000 volte più forte del campo magnetico terrestre, per magnetizzare gli atomi di lantanidi e misurare le proprietà dei loro elettroni. I ricercatori hanno usato i raggi X per colpire gli elettroni molto vicino al nucleo ed eccitarli verso gli orbitali bersaglio che volevano rilevare. "Sebbene si sapesse che questo approccio funzionava per i cristalli composti da una vasta collezione di atomi, se i singoli orbitali potessero essere misurati in atomi isolati era una grande questione aperta" ha affermato Donati. "Puoi immaginare quanto sia stato emozionante vedere i primi dati apparire sullo schermo durante le misurazioni. Solo allora ci siamo resi conto che non c'era nessuna teoria pronta a spiegare i nostri risultati. C'era ancora molto lavoro da fare".

Rispetto alla fase di raccolta dati, che ha richiesto solo poche settimane di misurazioni, l'analisi e lo sviluppo di un modello interpretativo hanno impegnato gli scienziati per diversi mesi. Usando questa combinazione di teoria della fine dell'esperimento, i ricercatori hanno potuto identificare come gli elettroni erano distribuiti tra gli orbitali atomici. "Crediamo che conoscendo la struttura di questi atomi, orbitale per orbitale, fornirà nuove indicazioni per progettare le proprietà dei dispositivi futuri, come i computer quantistici e gli hard disk magnetici ultradensi” ha concluso Donati.