Un nuovo microscopio capace di osservare, quasi fotogramma dopo fotogramma, ciò che accade all’interno di materiali destinati alle tecnologie avanzate. È il risultato di una ricerca condotta dai fisici della Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali che hanno sviluppato una nuova tecnica di «microscopia multidimensionale coerente a campo largo con l’obiettivo di osservare con un livello di dettaglio temporale e spaziale molto elevato il comportamento dei materiali».
A spiegarlo è il professor Claudio Giannetti, preside di Facoltà e direttore dei Laboratori Interdisciplinari di Fisica Avanzata dei Materiali (ILAMP), che ha coordinato il progetto di ricerca pubblicata sulla rivista scientifica Optica. Il nuovo strumento utilizzato per la conduzione dello studio - che ha illustrato per la prima volta come gli elettroni reagiscono tra loro all’interno di dispositivi di dimensioni microscopiche - è stato messo a punto nei laboratori ILAMP della Cattolica, sede di Brescia, attraverso una collaborazione internazionale che ha coinvolto Politecnico di Milano, KU Leuven, University of British Columbia e CNR.
«Il principio alla base della nuova tecnica è l'impiego di impulsi laser ultra brevi – spiega Giannetti - organizzati secondo una sequenza progettata con grande precisione che permette di colpire il materiale, provocando una risposta che viene poi misurata dai ricercatori». Ripetendo il processo e modificando progressivamente l'intervallo temporale tra gli impulsi, è possibile ricostruire l'evoluzione delle proprietà del materiale. I fenomeni osservati si svolgono in intervalli di tempo di pochi milionesimi di miliardesimo di secondo: una scala temporale funzionale a monitorare processi impossibili da distinguere con le tecniche di microscopia convenzionali, consentendo di confrontare il comportamento del materiale punto per punto.
Il microscopio è stato quindi utilizzato per analizzare un dispositivo basato su un sottilissimo strato bidimensionale di diseleniuro di tungsteno, composto da pochi strati atomici. «Osservare come le caratteristiche del materiale cambino in funzione della posizione all'interno del microdispositivo serve a individuare i meccanismi che ostacolano il movimento degli elettroni e quali caratteristiche debbano essere modificate per migliorarne le prestazioni» precisa Giannetti.
Ma quali sono le ricadute nella vita quotidiana e perché è così importante capire e risolvere gli ostacoli degli elettroni? L’ambito è quello dei dispositivi elettronici e optoelettronici, oggi sempre più piccoli ed efficienti, ma anche quello biomedico. «Le applicazioni riguardano diversi settori: dallo sviluppo di celle solari più efficienti alla realizzazione di LED, sensori e componenti elettronici con prestazioni più elevate» spiega Giannetti. Non solo: la microscopia si candida a trovare impiego anche nello studio di alcuni processi legati al metabolismo delle cellule tumorali, oltre che inserirsi in un programma dedicato alla comprensione e al controllo delle proprietà quantistiche dei materiali. Uno degli obiettivi indicati dai ricercatori all’interno dello studio è infatti quello di utilizzare le conoscenze acquisite per sviluppare nuovi sistemi destinati alla formazione e al controllo dei “qubit”, gli elementi fondamentali dell'informazione nei computer quantistici.
