STM: strumento per spostare gli atomi
L'effetto tunnel
L’effetto tunnel va contro ogni legge della fisica classica. Inserendo una pallina dentro un contenitore, essa uscirà solo con l’applicazione di una forza ben precisa: l'elettrone all'interno di una particella si comporta allo stesso modo. Se noi mettessimo quest'ultimo all'interno un contenitore e si comportasse come una particella classica, rimarrebbe chiuso lì per sempre, eccetto il caso in cui venga sprigionata un’energia tale da farlo “risalire”. Ma De Broglie aveva dimostrato la natura ondulatoria e non solo corspuscolare dell’elettrone e la funzione d’onda che descrive il suo comportamento. Nella fisica quantistica, un’onda che tenta di attraversare una barriera viene riflessa, ma una parte riesce ad attraversare l’ostacolo, quindi i fisici pensarono di sfruttare questo effetto per osservare gli atomi.
L’effetto tunnel è uno dei fenomeni principali nell’osservazione nanosensibile. Lo "scanning tunneling microscope" (STM) nacque una notte del 1981: Binning e Rohrer si cimentarono nel tentativo di vedere gli atomi attraverso lo sfruttamento dell’effetto tunnel delle particelle subatomiche, in primis dell’elettrone.
Come nasce l'STM?
I due fisici costruirono una punta acuminata costituita da un solo atomo al fine di applicare una differenza di potenziale e tentare di forzare gli elettroni a staccarsi dal loro nucleo atomico. Gli elettroni dovrebbero attraversare il vuoto tra la sonda e la superficie di osservazione grazie all’effetto tunnel, mentre la corrente generata dipende dalla distanza tra punta e superficie. Purtroppo la loro osservazione si fermò alla superficie dell’oro: nell’avvicinare la sonda, a temperatura ambiente, alcuni atomi di oro si staccavano dalla superficie e si posavano sulla punta, vanificando quindi la possibilità di avere immagini. Ma, d’altro canto, la scoperta di Binning e Rohrer fu incredibile, infatti, anche se non in modo del tutto controllato, si capì che si potevano prelevare gli atomi da un punto e spostarli da tutt’altra parte per ottenere le proprietà fisiche e chimiche desiderate. Nell’autunno del 1982 i due fisisci ottennero anche la configurazione elettronica dell’oro e la speranza di vedere gli atomi divenne realtà: a seguire, lo scopo dei fisici fu quello di aumentare la risoluzione degli atomi osservati. Agli inizi del ‘900, il mondo della fisica, grazie alle scoperte di Mark Planck, scoprì che nel mondo atomico l’energia si trasmette in quantità ben definite, i “quanti”: la legge di Planck afferma che l'energia associata a una radiazione elettromagnetica è trasmessa in pacchetti chiamati quanti, ciascuno dei quali è associato a un singolo fotone mediante la relazione E = hv [E, energia; dipende da h, costante di planck, e da v, frequenza della radiazione].