Queste minuscole particelle sono la base su cui è costruita tutta la materia e comprenderle ci aiuta a comprendere l’Universo.
Gli scienziati hanno utilizzato i raggi X per caratterizzare le proprietà di un singolo atomo, dimostrando che questa tecnica può essere utilizzata per comprendere la materia a livello dei suoi più piccoli elementi costitutivi. “Qui”, scrive un team internazionale guidato dal fisico Tolulope Ajayi dell’Università dell’Ohio e dell’Argonne National Laboratory negli Stati Uniti, “dimostriamo che i raggi X possono essere usati per caratterizzare lo stato elementare e chimico di un solo atomo”. I raggi X sono considerati adatti per la caratterizzazione dei materiali a livello atomico perché la loro distribuzione della lunghezza d’onda è paragonabile alla dimensione di un atomo. E ci sono diverse tecniche per vedere come sono formate su scale davvero minuscole. Uno di questi sono i raggi X di sincrotrone , in cui gli elettroni vengono accelerati lungo una pista circolare fino al punto in cui brillano intensamente di luce ad alta energia. Per cercare di creare scale davvero piccole, Ajayi e i suoi colleghi hanno utilizzato una tecnica che combina i raggi X di sincrotrone con una tecnica di microscopia per l’imaging su scala atomica chiamata microscopia a scansione di tunneling . Questo impiega un’eccellente sonda conduttrice a punta affilata che interagisce con gli elettroni del materiale di prova in quello che è noto come “tunneling quantistico”. A distanze molto ravvicinate (come mezzo nanometro), la posizione precisa di un elettrone è incerta, spalmandolo attraverso lo spazio tra il materiale e la sonda; lo stato dell’atomo può quindi essere misurato nella corrente risultante.
Insieme, le due tecniche sono note come microscopia a effetto tunnel a scansione di raggi X di sincrotrone (SX-STM). La radiazione X amplificata eccita il campione e il rilevatore aghiforme raccoglie i fotoelettroni risultanti. Ed è una tecnica entusiasmante che apre alcune possibilità piuttosto incredibili: l’anno scorso, il team ha pubblicato un documento sull’utilizzo di SX-STM per ruotare una singola molecola . Questa volta sono diventati ancora più piccoli, tentando di misurare le proprietà di un singolo atomo di ferro. Hanno creato separatamente assemblaggi supramolecolari , inclusi ioni ferro e terbio all’interno di un anello di atomi in quello che viene definito un ligando. Un ferro e sei atomi di rubidio erano legati con ligandi terpiridinici; terbio, ossigeno e bromo sono stati collegati utilizzando ligandi piridina-2,6-dicarbossammide. La luce che il rilevatore riceve non è la stessa della luce irradiata sul campione. Alcune lunghezze d’onda sono assorbite dagli elettroni nel nucleo atomico, il che significa che ci sono alcune linee più scure sullo spettro dei raggi X ricevuti. Queste linee più scure, ha scoperto il team, sono coerenti con le lunghezze d’onda assorbite rispettivamente dal ferro e dal terbio. Gli spettri di assorbimento potrebbero anche essere analizzati per determinare gli stati chimici di questi atomi. Per l’atomo di ferro accadde qualcosa di interessante. Il segnale a raggi X poteva essere rilevato solo quando la punta della sonda si trovava esattamente sopra l’atomo di ferro nella sua struttura supramolecolare e in prossimità estremamente ravvicinata. Questo, dicono i ricercatori, conferma il rilevamento nel regime di tunneling. Poiché il tunneling è un fenomeno quantistico, ciò ha implicazioni per lo studio della meccanica quantistica. “Il nostro lavoro”, scrivono i ricercatori , “collega i raggi X di sincrotrone con un processo di tunneling quantistico e apre futuri esperimenti sui raggi X per caratterizzazioni simultanee delle proprietà elementari e chimiche dei materiali al limite ultimo del singolo atomo”.
