• manipolazione laser
• laser manipulation
• nanotecnologie
• nanotechnology
• nanofabrication
• nanofabbricazione

In questa tesi viene trattata la fabbricazione di nanostrutture isolate mediante manipolazione laser di un fascio atomico di Cesio e deposizione su un substrato. Il principio fisico alla base della nanofabbricazione è la nascita di forze, dette di dipolo, tra il campo disomogeneo associato ad un’onda stazionaria intensa e quasi risonante e un campione atomico con essa interagente. Tali forze modificano la distribuzione spaziale di flusso, che viene modulata principalmente su distanze dell’ordine di λ/2, dove λ/2 è la lunghezza dell’onda stazionaria (λ = 852 nm nell’esperimento considerato).
Le sorgenti di fascio atomico comunemente utilizzate negli esperimenti di nanofabbricazione con metalli alcalini sono di tipo effusivo; la peculiarità del nostro esperimento risiede nelle caratteristiche del fascio, che viene prodotto da una trappola magneto-ottica (MOT) di tipo piramidale seguita da uno stadio di collimazione basato su melassa ottica bidimensionale. Il fascio così prodotto ha
caratteristiche cinetiche subtermiche, con velocità trasversale ( cm/s) e longitudinale ( m/s) molto minori che nei sistemi convenzionali (fascio freddo e lento ).
In questo lavoro di tesi l’apparato è stato impiegato nel regime di basso flusso atomico, coerentemente con l’obiettivo di realizzare nanostrutture isolate, che richiedono coperture superficiali del substrato modeste per evitare la formazione di monostrati. La produzione controllata di nanostrutture isolate (composte da pochi atomi) su una superficie è un obiettivo che ha un potenziale applicativo molto alto nell’attuale scenario della nanotecnologia, proponendosi come una via per la realizzazione delle cosiddette atom-scale technologies. La nostra sorgente di fascio atomico, essendo prodotta da meccanismi specifici di raffreddamento e manipolazione laser, ha caratteristiche compatibili con l’obiettivo. Inoltre, grazie alla ridotta velocità longitudinale, i tempi di interazione tra atomi e onda stazionaria sono abbastanza lunghi da poter operare in un particolare regime di manipolazione della dinamica atomica, detto di channelling, anche in presenza di radiazione laser
relativamente poco potente, come quella ottenuta dai laser a diodo impiegati nell’esperimento. In tale regime gli atomi subiscono molteplici oscillazioni nelle loro traiettorie all’interno della zona di interazione, venendo incanalati nei nodi, o antinodi a seconda del segno del disaccordo tra radiazione e transizione atomica, dell’onda stazionaria. Il vantaggio sperimentale di tale regime rispetto
ad altri consiste nella maggiore tolleranza ai disallineamenti e nella maggiore profondità di fuoco (in termini di ottica atomica). Entrambi questi aspetti sono rilevanti quando si opera in condizioni di basso flusso, dato che ci si aspetta che la posizione degli atomi che incidono sul substrato sia deterministicamente stabilita (tutti gli atomi sono all’interno del canale).
Dal punto di vista pratico, l’operazione a basso flusso ha richiesto la messa a punto di tecniche di diagnostica spettroscopica del fascio (imaging di fluorescenza) sensibili e la realizzazione di una nuova sorgente laser. Inoltre parte del lavoro di tesi ha riguardato lo sviluppo di metodi per la simulazione della manipolazione laser sia nella creazione del fascio che nella sua interazione con l’onda stazionaria. In particolare, sulla base della letteratura disponibile, è stato implementato
un modello semiclassico in cui gli atomi sono descritti come sistemi a due livelli vestiti a causa della presenza del campo stazionario disomogeneo. La dinamica, simulata attraverso metodi Monte Carlo, è globalmente in accordo con le previsioni basate su modelli semplificati di tipo classico (forza dipolare) che stabiliscono una segregazione spaziale del fascio in piani paralleli con spaziatura λ/2,
ma viene evidenziato come, in particolari condizioni che si possono verificare sperimentalmente, sia possibile ottenere anche spaziature diverse (ad esempio λ/4).
Infine nella tesi si esaminano alcuni dei risultati di nanofabbricazione eseguiti in questo lavoro su substrati di grafite altamente orientata (HOPG). L’analisi, condotta con microscopia ad effetto tunnel (STM) sotto vuoto, dimostra la formazione di nanostrutture isolate formate da poche centinaia o migliaia di atomi e dotate di una morfologia specifica. Infatti le nanostrutture hanno una caratteristica forma a sigaro, con l’asse lungo perfettamente ortogonale alla direzione dell’onda stazionaria ed una forte asimmetria (la larghezza dei sigari è dell’ordine di 10 nm). La distribuzione
spaziale del cesio depositato su larga scala è apparentemente compatibile con la spaziatura λ/2, ma la separazione tipica fra le nanostrutture è paragonabile alla loro larghezza. Questo risultato, assieme ad altre osservazioni compiute nel lavoro di tesi, dimostra che la crescita delle nanostrutture è governata da una complessa interazione fra gli effetti della manipolazione laser degli atomi allo stato di vapore e quelli legati ai fenomeni di superficie (diffusione, nucleazione, coalescenza, crescita) che si verificano sul subtrato.