explanation

Autore:
E-mail:
Valeria Cassina
[email protected]
Documentario: Nano, la prossima dimensione
Clip del documentario: Da 7:42 a 9:55 (DVD)
Regista: Pierre Oscar Lévy
Produzione: Ex-Nihilo on behalf of the European Commission
Scientific level – Spiegazione per insegnanti
L’atomo e’ composto dal nucleo e dagli elettroni. Normalmente si immaginano
gli elettroni come sferette che orbitano attorno al nucleo seguendo traiettorie
simili a quelle dei satelliti attorno alla terra. Pero’ all’inizio del XX secolo
Heisenberg scoprì qualcosa che rese questo modello non corretto. Infatti
nessuno puo’ dire con precisione dove si trovi l’elettrone in un determinato
momento; si puo’ solo dire che probabilita’ ha di trovarsi in una certa posizione
in un dato istante. Questo principio della meccanica quantistica e’ noto come
principio d’indeterminazione di Heisenberg.
Ora, se non possiamo determinare la posizione, e di conseguenza la
traiettoria, dell’elettrone che orbita attorno al nucleo, possiamo solo definire la
zona attorno al nucleo, detta nuvola elettronica, in cui l’elettrone ha la
maggiore probabilità di trovarsi. A volte l’elettrone puo’ portarsi in zone dove
ha meno probabilita’ di occupazione (cioe’ lontano dai luoghi in cui e’ piu’
probabile che si trovi) e questo può essere immaginato come una piccola
deformazione temporanea della forma originaria della nuvola elettronica. Se
durante queste fluttuazioni un altro atomo si trova nelle vicinanze, le nuvole
elettroniche dei due atomi possono sovrapporsi. In questo caso l’elettrone
passa dal suo atomo d’origine al vicino.
Questo fenomeno e’ detto “effetto tunnel” in quanto gli elettroni di un atomo
possono passare su un secondo atomo vicino, cioe’ trovare un tunnel,
attraverso la barriera classicamente impenetrabile, in questo caso il vuoto.
Esemplificazione dell’effetto tunnel.
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http://www.bun.kyoto-u.ac.jp/~suchii/Bohr/tunnel.html
Questo fenomeno è detto “effetto tunnel” proprio perche’ gli elettroni riescono
a trovare una via, da cui il nome tunnel, per attraversare la barriera e
raggiungere il solido lontano, classicamente irraggiungibile ed è una delle
scoperte della fisica moderna conseguenza diretta della scoperta fatta da
Heisenberg ad inizio del ‘900.
Questo fenomeno specifico della meccanica quantistica trova un’interessante
applicazione in un microscopio. Consideriamo una punta conduttiva molto
sottile, cioe’ che termina con pochi atomi, e pensiamo di portarla molto vicino
ad una superficie metallica, senza pero’ metterle in contatto.
Immagine di una punta metallica.
http://www.spmtips.com/products/cantilevers/datasheets/normal/
Allora il fenomeno appena descritto puo’ succedere! E’ infatti possibile che
alcuni elettroni della punta passino alla superficie e viceversa. Se tra punta e
superficie si applica una differenza di potenziale, il moto di questi elettroni ha
sempre la stessa direzione, e la corrente che passa segue la seguente
espressione:
I~U/d*exp(-k*d)
dove U e’ la differenza di potenziale applicata tra punta e campione, k una
costante che dipende dai materiali considerati e d la distanza punta campione.
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Punta molto sottile posizionata nelle vicinanze di una superficie per misura di
corrente di tunneling
http://www.kth.se/fakulteter/TFY/cmp/research/microscopy/stm.html
Poiche’ vi e’ una dipendenza esponenziale della corrente dalla distanza, la
corrente e’ diversa da zero solo se la distanza d e’ al piu’ di pochi nanometri.
Questo garantisce una risoluzione atomica.
Muovendo la punta sulla superficie e misurando la corrente di tunnel in
funzione della posizione si ottiene un’immagine della superficie. Questo
microscopio, noto come Microscopio a effetto tunnel (Scanneling Tunneling
Microscopy, STM), prende il nome dal suo principio di funzionamento ed e’ un
potente strumento di caratterizzazione di superfici su scala nanometrica e
atomica.
Immagine di atomi di ferro su superficie di rame acquisita con l’STM.
http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/corral.html
Si apprezza ancora di piu’ la sua importanza se si tiene presente che nessun
microscopio ottico puo’ raggiungere una tale risoluzione a causa del limite
difrattivo.
Infatti la risoluzione massima ottenibile con luce di lunghezza d’onda λ e’
(formula di Abbe):
D

n
con n indice di rifrazione del mezzo, tipicamente l’aria. Essendo circa 400 nm
la minima lunghezza d’onda e circa 1 l’indice di rifrazione dell’aria, la minima
dimensione D che si riesce a risolvere e’ di circa 240 nm, ben maggiore della
risoluzione atomica che caratterizza l’STM!
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