Nanosensori quantistici: alla scoperta dei segreti della materia

(a) immagine al microscopio elettronico di un nano dispositivo superconduttore ad interferenza quantistica tridimensionale basato su nano giunzioni Josephson tridimensionali (b) misura di magnetizzazione effettuata con un nanoSQUID di un piccolo cluster di nanoparticelle magnetiche di ossido di ferro aventi dimensioni di 4 nm (pallini blu)  e 8 nm (pallini rossi). E’ Possibile osservare il tipico ciclo di isteresi dei materiali ferromagnetici.
(a) immagine al microscopio elettronico di un nano dispositivo superconduttore ad interferenza quantistica tridimensionale basato su nano giunzioni Josephson tridimensionali (b) misura di magnetizzazione effettuata con un nanoSQUID di un piccolo cluster di nanoparticelle magnetiche di ossido di ferro aventi dimensioni di 4 nm (pallini blu) e 8 nm (pallini rossi). E’ Possibile osservare il tipico ciclo di isteresi dei materiali ferromagnetici.

Lo studio delle proprietà magnetiche a livello nanometrico è un promettente e interessante campo di ricerca delle nanoscienze. Infatti, l’imaging magnetico è un potente strumento per l’investigazione di sistemi fisici, chimici e biologici. L’investigazione di piccoli cluster di nano-oggetti magnetici, come molecole magnetiche, nanoparticelle, singoli elettroni e atomi freddi, rappresenta una delle sfide più stimolanti della ricerca di base e di quella applicata dei prossimi anni. In particolare lo studio di nanoparticelle magnetiche gioca un ruolo fondamentale per la moderna scienza dei materiali (si veda la recente scoperta di un rivoluzionario super-metallo basato su nanoparticelle di carburo di silicio) nonché per le ricadute tecnologiche in campo biomedico quali il trasporto mirato di farmaci (drug delivery), il trattamento tramite ipertermia del cancro e i mezzi di contrasto nella risonanza magnetica nucleare. Attualmente uno dei più ambiziosi scopi della magnetometria ad alta sensibilità è la rivelazione dei singoli momenti magnetici elementari. Un team di ricercatori dell’Istituto di Scienze Applicate e Sistemi Intelligenti (Isasi-Cnr) diretto dal dott. Pietro Ferraro, è all’avanguardia nella realizzazione di dispositivi nanometrici quantistici in grado di misurare il campo magnetico dei singoli atomi. Un saggio su questa ricerca è stato recentemente pubblicato dai ricercatori di Isasi-Cnr su una delle più prestigiose di Fisica, Physics Reports, con un fattore di impatto maggiore di 20.

“Si tratta di nano dispositivi superconduttori ad interferenza quantistica meglio conosciuti come nano-SQUIDs (acronimo di nano Superconducting QUuantum Interference Devices), che si basano su fenomeni della fisica quantistica quali la superconduttività che può essere considerata la manifestazione più eclatante degli effetti quantistici a livello macroscopico e l’effetto tunnel di coppie di elettroni attraverso una barriera isolante. Tale effetto, tipicamente quantistico, prevede che una particella possa attraversare una barriera energetica pur non avendo l’energia necessaria, detto in altri termini è come se una palla potesse passare attraverso un muro senza scavalcarlo (effetto tunnel). Su tale effetto si basano anche molti dispositivi elettronici di uso comune”, spiega Carmine Granata ricercatore di Isasi-Cnr e team-leader dell’attività di ricerca. La straordinaria sensibilità dei nanoSQUIDs, limitata solo dai principi di base della meccanica quantistica, consente di misurare un flusso magnetico un milione di volte più piccolo di quello prodotto dal campo magnetico terrestre in un globulo rosso. Tale sensibilità unita alle dimensione nanometriche (poche decine di nanometri), consentono ai nanoSQUIDs di misurare il magnetismo della materia a livello del singolo atomo o piccole aggregazioni di essi. Una sorta si “orecchio” infinitamente piccolo capace di ascoltare i campo magnetici provenienti dai singoli elettroni. Molte sono le applicazioni e innumerevoli le potenzialità che gli stessi ricercatori ISASI recensiscono nel loro articolo, insieme ad una estesa panoramica di questi nano-dispositivi.

 

“I nanoSQUIDs, sono tipicamente costituiti da un anello superconduttore submicrometrico dotato di due costrizioni nanometriche. Quelli progettati e realizzati presso Isasi-Cnr presentano una struttura più complessa basata su nano-giunzioni tunnel tridimensionali basate su un sandwich nanometrico di due superconduttori separati da uno sottilissimo strato di materiale isolante (1 nm) che si traduce in una maggiore sensibilità e affidabilità del dispositivo”. “In questo modo è stato possibile ottenere nanosensori capaci di misurare localmente campi magnetici così piccoli da apprezzare addirittura quello prodotto dai singoli elettroni” afferma Antonio Vettoliere ricercatore di Isasi-Cnr.  “Oltre ad essere un potente strumento d’indagine dei singoli nano-oggetti magnetici, i nanoSQUIDs sono di enorme interesse anche per altre stimolanti applicazioni quali la computazione quantistica, la rivelazione di singolo fotone, la nanoelettronica nonché per alcune tematiche chiave della scienza dei materiali e la fisica dello stato solido. Anche nel campo della biomedicina, i suddetti nanosensori rappresentano un prezioso strumento in quanto capaci di misurare il campo magnetico associato all’ attività elettrica del singolo neurone”, conclude Carmine Granata.

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