Un team di ricercatori internazionali ha sviluppato una tecnica di imaging ottico radicalmente nuova, in grado di osservare dettagli strutturali con una risoluzione di un solo nanometro, una misura così piccola da poter distinguere i singoli atomi. Questa innovazione, chiamata ULA-SNOM (microscopia ottica a scansione in campo prossimo di tipo a diffusione con ampiezza di oscillazione ultra-bassa), apre le porte a una comprensione senza precedenti del mondo atomico, utilizzando la luce anziché gli elettroni.
Il cuore di questa tecnologia risiede in un approccio meticoloso e in condizioni sperimentali estreme. Gli scienziati hanno utilizzato una punta di scansione in argento, lucidata con un fascio di ioni focalizzato per garantire una superficie stabile e liscia. Questa punta viene fatta oscillare con un'ampiezza incredibilmente ridotta, tra 0,5 e 1 nanometro, corrispondente circa alla larghezza di tre atomi. Questa oscillazione controllata è risultata cruciale: abbastanza ampia da catturare segnali ottici significativi, ma sufficientemente piccola da non degradare la risoluzione e perdersi nel rumore di fondo.
Per raggiungere una stabilità così delicata, l'intero apparato è stato collocato in condizioni di ultra-alto vuoto e raffreddato a una temperatura criogenica di otto Kelvin, ovvero -265 gradi Celsius. Questo ambiente estremo elimina le vibrazioni e le contaminazioni che potrebbero interferire con le misurazioni.
Un laser rosso visibile, con una lunghezza d'onda di 633 nanometri, viene diretto sulla punta, generando una "cavità plasmonica", una minuscola sacca di luce confinata tra la punta e il campione da analizzare. Questa cavità, compressa in un volume di appena un nanometro cubo, permette di interagire con la materia su scala atomica.
Per decenni, i microscopi ottici sono stati vincolati dal limite di diffrazione, una regola fisica fondamentale che impedisce di vedere chiaramente oggetti più piccoli di circa 200 nanometri, una dimensione troppo grande per immortalare un singolo atomo. Questo limite ha rappresentato un ostacolo insormontabile per lo studio diretto dell'interazione tra luce e singoli atomi o molecole. La tecnica ULA-SNOM aggira brillantemente questo problema, offrendo per la prima volta la possibilità di "vedere" come la luce si comporta a questo livello fondamentale.
Per testare l'efficacia del sistema, il team ha analizzato delle "isole" di silicio, spesse un solo atomo, depositate su una superficie d'argento. Il microscopio non solo ha mostrato con chiarezza i confini tra silicio e argento, ma ha anche rivelato come ciascun materiale rispondesse in modo diverso alla luce, confermando una reale capacità di contrasto ottico a risoluzione atomica. Un altro punto di forza del sistema è la sua capacità di raccogliere simultaneamente diversi tipi di informazioni: oltre ai segnali ottici, misura la conduttività elettrica e le forze meccaniche, integrando le funzioni di un microscopio a effetto tunnel (STM) e di un microscopio a forza atomica (AFM). Confrontando le immagini ottiche con quelle di un STM tradizionale, la risoluzione si è dimostrata quasi identica, circa un nanometro.
Le potenziali applicazioni di questa svolta sono immense e potrebbero portare a un cambiamento significativo nella progettazione di nanostrutture elettroniche, nella scoperta di nuovi materiali fotonici e nel miglioramento dell'efficienza delle celle solari. Tuttavia, la tecnologia ULA-SNOM richiede attrezzature altamente specializzate, come sistemi di raffreddamento criogenico e camere a ultra-alto vuoto,
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