Uno schema che rappresenta una misurazione al microscopio in cui un impulso di luce laser (curva rossa) illumina un ago atomicamente affilato (in alto) posizionato sopra la superficie del campione. Il nanonastro di grafene si trova sopra un substrato d'oro. I dati sperimentali sono mostrati in blu, rivelando la distribuzione degli elettroni sopra il nanoribbon. Credito:Spencer Ammerman
Quando il fisico Tyler Cocker è entrato a far parte della Michigan State University nel 2018, aveva un obiettivo chiaro:costruire un potente microscopio che sarebbe stato il primo del suo genere negli Stati Uniti.
Fatto ciò, è arrivato il momento di mettere in funzione il microscopio.
"Sapevamo che dovevamo fare qualcosa di utile", ha detto Cocker, Jerry Cowen Endowed Chair in Experimental Physics presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia del College of Natural Science. "Abbiamo il microscopio più bello del paese. Dovremmo usarlo a nostro vantaggio."
Con il suo microscopio, il team di Cocker sta usando luce ed elettroni per studiare i materiali con un'intimità e una risoluzione senza precedenti. I ricercatori possono vedere gli atomi e misurare le caratteristiche quantistiche all'interno di campioni che potrebbero diventare gli elementi costitutivi dei computer quantistici e delle celle solari di prossima generazione.
Il 23 novembre il team ha dato al mondo un primo assaggio di queste capacità sulla rivista Nature Communications , scattando istantanee di come gli elettroni sono distribuiti in quelli che sono noti come nanonastri di grafene.
"Questa è una delle prime dimostrazioni che questo tipo di microscopio può dirti qualcosa di nuovo", ha detto Cocker. "Siamo molto entusiasti e orgogliosi del lavoro. Abbiamo anche tutte queste idee in testa su dove vogliamo andare con esso."
Il team di Cocker fa parte di una collaborazione che sta lavorando per sviluppare questi nanoribbon in qubit, pronunciati "q-bit", per i computer quantistici. La collaborazione abbraccia cinque istituzioni e il lavoro è supportato da una sovvenzione dell'Office of Naval Research che fornirà oltre 1 milione di dollari al contributo di MSU.
Per le Comunicazioni sulla natura studio, Cocker ha collaborato con il gruppo di ricerca di Roman Fasel, professore presso i Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali. Fasel ha inventato quello che è noto come il metodo di crescita dal basso verso l'alto per i nanonastri di grafene. Il laboratorio di Fasel ha sintetizzato molecole che, con l'aggiunta di calore, possono trasformarsi in nastri di forma e dimensione predeterminate.
"In sostanza cuoci le molecole come una torta", ha detto Cocker. "Quindi le proprietà del nastro che ottieni sono predefinite. Sai cosa stai ricevendo prima di iniziare."
Un'illustrazione mostra nanonastri di grafene su un substrato d'oro. I dati sperimentali rivelati dal microscopio dello Stato del Michigan sono mostrati in blu sopra i nastri. Credito:Spencer Ammerman
Il laboratorio svizzero ha inviato le molecole alla MSU, dove il laboratorio di Cocker ha fatto crescere i nastri di precisione e poi li ha esaminati con il suo microscopio. La base dello strumento è il cosiddetto microscopio a effetto tunnel, o STM, che avvicina una punta o una sonda molto affilata al campione in esame senza toccarlo.
Anche se la punta e il campione non sono in contatto, gli elettroni possono comunque saltare o passare dalla punta al campione. Registrando il modo in cui gli elettroni effettuano il tunneling, ad esempio quanti elettroni effettuano il tunneling e quanto velocemente, il microscopio crea immagini ad alta risoluzione del campione e delle sue proprietà.
Quello che Cocker e il suo team hanno fatto è accoppiare questo STM convenzionale con impulsi estremamente brevi di luce laser, che consente loro di avvicinare ulteriormente la punta dell'STM al campione. Di conseguenza, sono in grado di estrarre informazioni più dettagliate che mai da un campione.
"È quasi come se stessimo ingrandendo avvicinando fisicamente la punta", ha detto.
Il team potrebbe quindi caratterizzare diversi nanonastri con risoluzione atomica, rivelando informazioni chiare senza precedenti su come gli elettroni sono distribuiti all'interno della struttura.
Oltre a una pubblicazione, questo lavoro ha anche ottenuto premi per i suoi autori spartani. Lo studioso post-dottorato Vedran Jelic ha vinto un premio per il suo poster sulla ricerca in un recente seminario in Germania. Il ricercatore laureato Spencer Ammerman ha vinto un premio per aver presentato il lavoro lo scorso novembre in una conferenza ospitata dalla Infrared, Millimeter and Terahertz Wave Society, che ha anche assegnato a Cocker il premio Young Scientist 2021.
Per quanto Cocker e il suo team siano entusiasti del nuovo giornale e di questi riconoscimenti, non vedono l'ora che arrivi il prossimo. Ad esempio, il team sta lavorando per passare da immagini fisse a filmati di campioni, mostrando come gli elettroni si muovono all'interno dei nastri mentre il nanomateriale assorbe la luce.
I ricercatori stanno anche costruendo un secondo microscopio con il supporto di una sovvenzione del Dipartimento della Difesa assegnata a giugno, il che significa che gli unici due microscopi come questo negli Stati Uniti saranno entrambi alla MSU.
"Questo documento è molto eccitante, ma è anche solo il primo passo", ha detto Cocker. "Pensiamo che aprirà molte possibilità". + Esplora ulteriormente
