e orbitali singolari

Team di fisici italiani e tedeschi sono riusciti a visualizzare un singolo elettrone intrappolato in una nanostruttura, mostrando che l'immagine è ‘disturbatà dalla presenza degli elettroni vicini. Il risultato, ottenuto da ricercatori del Centro S3 dell'INFM-CNR di Modena e dell'Università di Amburgo, è stato pubblicato questa settimana sulla prestigiosa rivista NanoLetters.

I ricercatori hanno mostrato che è possibile ottenere l'immagine di un singolo elettrone disturbato dalla presenza degli elettroni vicini. Per fare questo, i fisici dell'Università di Amburgo hanno intrappolato pochi elettroni in una minuscola struttura di materiale semiconduttore, e utilizzato un microscopio “a effetto tunnel” per visualizzare la posizione occupata da un singolo elettrone. Grazie a calcoli teorici basati sulla soluzione di equazioni quantistiche, i ricercatori del Centro S3 di Modena hanno poi chiarito che l'inattesa forma degli orbitali visualizzati nelle immagini era dovuta alla presenza degli elettroni vicini.

La fisica quantistica prevede che non sia possibile conoscere con esattezza la posizione di un elettrone, ma solo la probabilità che esso si trovi in una certa regione di spazio, detta “orbitale”. La forma degli orbitali per semplici atomi e molecole è una nozione familiare a chi studia fisica e chimica. In linea di principio gli orbitali possono essere visualizzati negli esperimenti attraverso un microscopio elettronico che distingua gli oggetti su una scala sufficientemente piccola.

Forma degli orbitali s p e d di un elettrone atomico

Il gruppo di fisici dell'Università di Amburgo, fra cui l'italiano Giuseppe Maruccio, è riuscito ad usare un microscopio a effetto tunnel per visualizzare gli orbitali degli elettroni isolati in una “nano-trappola” di semiconduttore di dimensioni poco più grandi di una molecola. Le immagini ottenute, tuttavia, mostravano orbitali con una forma distorta, molto diversi da quanto ci si aspettava sulla base di considerazioni di fisica e chimica elementari. Presso il Centro S3 di Modena, il gruppo di Massimo Rontani e Elisa Molinari ha sviluppato una teoria che rende conto della forma degli orbitali vista dai colleghi tedeschi, e spiega che la distorsione dipende da quanto l'elettrone interagisce con gli altri contenuti nella nanotrappola.

La ricerca congiunta dei fisici di Modena e Amburgo – in pubblicazione sulla prestigiosa rivista americana NanoLetters (sul numero cartaceo di settembre, ma già da ora pubblicata sul sito web della rivista) – potrebbe essere applicata ad altri nano-oggetti, come nanotubi di carbonio o biomolecole, e rappresenta un nuovo strumento teorico e pratico per vedere gli elettroni nel nanomondo e studiare il loro comportamento alla scala dei miliardesimi di metro.

Correlation Effects in Wave Function Mapping of Molecular Beam Epitaxy Grown Quantum Dots
Giuseppe Maruccio*, Martin Janson, Andreas Schramm, Christian Meyer, Tomohiro Matsui, Christian Heyn, Wolfgang Hansen, Roland Wiesendanger, Massimo Rontani*, Elisa Molinari (NanoLetters)