Nuovo sensore quantistico per vedere il minuscolo mondo atomico

Roma – Sviluppato un sensore quantistico in grado di rilevare minuscoli campi magnetici su scala di lunghezza atomica. A riuscire nell’impresa un gruppo di ricerca internazionale del Centro coreano IBS per la nanoscienza quantistica, QNS, e del Forschungszentrum Jülich, in Germania. Lo studio, riportato su Nature Nanotechnology, realizza un sogno a lungo coltivato dagli scienziati: uno strumento simile alla risonanza magnetica per i materiali quantistici. La squadra di ricerca ha utilizzato l’esperienza del gruppo di Jülich nella fabbricazione di singole molecole dal basso verso l’alto e ha condotto gli esperimenti presso il QNS, utilizzando la strumentazione all’avanguardia per sviluppare il primo sensore quantistico al mondo per il mondo atomico. Il diametro di un atomo è un milione di volte più piccolo del più spesso capello umano. Ciò rende estremamente difficile visualizzare e misurare con precisione quantità fisiche come i campi elettrici e magnetici che emergono dagli atomi. Per rilevare campi così deboli da un singolo atomo, lo strumento di osservazione deve essere altamente sensibile e piccolo come gli atomi stessi. Un sensore quantistico è una tecnologia che sfrutta i fenomeni della meccanica quantistica, come lo spin di un elettrone o l’entanglement degli stati quantistici, per effettuare misurazioni precise. Negli ultimi anni sono stati sviluppati diversi tipi di sensori quantistici. Sebbene molti sensori quantistici siano in grado di rilevare campi elettrici e magnetici, si riteneva che la risoluzione spaziale su scala atomica non potesse essere padroneggiata contemporaneamente. Il successo del nuovo sensore quantistico su scala atomica risiede nell’utilizzo di una singola molecola. Si tratta di un metodo di rilevamento concettualmente diverso, poiché la funzione della maggior parte degli altri sensori si basa su un difetto, un’imperfezione, di un reticolo cristallino. Poiché tali difetti sviluppano le loro proprietà solo quando sono profondamente radicati nel materiale, il difetto, in grado di rilevare campi elettrici e magnetici, rimarrà sempre a una distanza piuttosto grande dall’oggetto, impedendo di vedere l’oggetto reale sulla scala dei singoli atomi. Il gruppo di ricerca ha cambiato approccio e ha sviluppato uno strumento che utilizza una singola molecola per rilevare le proprietà elettriche e magnetiche degli atomi. La molecola è attaccata alla punta del microscopio a scansione tunneling e può essere portata a poche distanze atomiche dall’oggetto reale. Taner Esat, ricercatore principale della squadra di Jülich, ha espresso la sua eccitazione per le potenziali applicazioni. “Questo sensore quantistico è una svolta perché fornisce immagini dei materiali ricche come una risonanza magnetica e allo stesso tempo stabilisce un nuovo standard per la risoluzione spaziale nei sensori quantistici”, ha detto Esat. “Questo ci permetterà di esplorare e comprendere i materiali al loro livello più fondamentale”, ha continuato Esat. Il sensore ha una risoluzione energetica che consente di rilevare cambiamenti nei campi magnetici ed elettrici con una risoluzione spaziale dell’ordine di un decimo di angstrom, dove 1 Ångström corrisponde tipicamente a un diametro atomico. Inoltre, il sensore quantistico può essere costruito e implementato nei laboratori esistenti in tutto il mondo. “Ciò che rende questo risultato così sorprendente è che utilizziamo un oggetto quantistico ingegnerizzato ad hoc per risolvere proprietà atomiche fondamentali dal basso verso l’alto”, ha affermato Esat. “Le tecniche precedenti per la visualizzazione dei materiali utilizzano sonde grandi e ingombranti per cercare di analizzare minuscole caratteristiche atomiche”, ha sottolineato Dimitry Borodin, autore principale di QNS. “Per vedere in piccolo bisogna essere piccoli”, ha proseguito Borodin. Questo innovativo sensore quantistico è pronto ad aprire strade trasformative per l’ingegneria dei materiali e dei dispositivi quantistici, per la progettazione di nuovi catalizzatori e per l’esplorazione del comportamento quantistico fondamentale dei sistemi molecolari, ad esempio in biochimica. “La rivoluzione negli strumenti di osservazione e studio della materia emerge dalla scienza di base accumulata”, ha osservato Bae Yujeong, responsabile del progetto QNS. “È emozionante vedere come il nostro lavoro di lunga data nella manipolazione molecolare abbia portato alla costruzione di un dispositivo quantistico da record”, ha concluso Ruslan Temirov, a capo del gruppo di ricerca a Jülich. (30Science.com)