Ricercatori rivelano i cambiamenti di fase indotti dalla luce

I ricercatori sostengono che il modo in cui i materiali ordinari subiscono un cambiamento di fase, come la fusione o il congelamento, è stato studiato nei minimi dettagli.

Ora, un team di scienziati ha osservato che quando attivano un cambiamento di fase utilizzando impulsi intensi di luce laser, invece di cambiare la temperatura, il processo avviene in modo molto diverso. Gli scienziati avevano a lungo sospettato che questa poteva essere la dinamica, ma il processo solo ora è stato osservato e confermato. Con questa nuova comprensione, i ricercatori potrebbero essere in grado di sfruttare questo meccanismo per l'uso in nuovi tipi di dispositivi optoelettronici.

I risultati della ricerca sono stati pubbicati sulla rivista Nature Physics.(1) Il team è stato guidato da Nuh Gedik,(2) professore di fisica al Massachusetts Institute of Technology, con lo studente Alfred Zong e il post-dottorato Anshul Kogar. In questa ricerca hanno collaborato altri 16 membri del MIT, della Stanford University e del Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) in Russia.

Per questo studio, invece di usare un cristallo reale come il ghiaccio, il team ha usato un analogo elettronico chiamato onda di densità di carica - una modulazione di densità di elettroni congelata all'interno di un solido - che imita da vicino le caratteristiche di un solido cristallino.

Mentre il tipico comportamento di fusione in un materiale come il ghiaccio procede in modo relativamente uniforme attraverso il materiale stesso, quando la fusione viene indotta nell'onda di densità di carica da impulsi laser ultraveloci, il funzionamento del processo manifesta una diversa funzione. I ricercatori hanno scoperto che durante la fusione otticamente indotta, il cambiamento di fase procede generando molte singolarità nel materiale, note come difetti topologici, e questi a loro volta influenzano la dinamica conseguente degli elettroni e degli atomi di reticolo nel materiale.

Questi difetti topologici, spiega il dottor Nuh Gedik, sono analoghi a piccoli vortici, o vortici, che si presentano in liquidi come l'acqua. La chiave per osservare questo straordinario processo di fusione è stata l'uso di una serie di tecniche di misurazione estremamente rapide e accurate per catturare il processo in azione.

L'impulso laser veloce, meno di un picosecondo (un millesimo di miliardesimo di secondo, ovvero un millesimo di nanosecondo), simula il tipo di rapidi cambiamenti di fase che si verificano. Un esempio di transizione rapida di fase è la tempra - come ad esempio immergere improvvisamente un pezzo di ferro rovente in acqua per raffreddarlo quasi istantaneamente. Questo processo differisce dal modo in cui i materiali cambiano attraverso il riscaldamento o il raffreddamento graduale, dove hanno abbastanza tempo per raggiungere l'equilibrio - cioè, per raggiungere una temperatura uniforme dappertutto - in ogni fase del cambiamento di temperatura.

Questi cambiamenti di fase - spiega Nuh Gedik - indotti dall'ottica furono già osservati prima, ma l'esatto meccanismo attraverso il quale procedono non era noto.

Il team ha utilizzato una combinazione di tre tecniche, note come diffrazione elettronica ultraveloce, riflettività transitoria e spettroscopia di fotoemissione risolta in tempo e angolo, per osservare simultaneamente la risposta all'impulso laser. Per il loro studio, hanno usato un composto di lantanio e tellurio, LaTe3, che è noto per ospitare le onde di densità di carica. Insieme, questi strumenti consentono di tracciare i movimenti di elettroni e atomi all'interno del materiale mentre cambiano e rispondono al polso.

Negli esperimenti, dice Nuh Gedik: “possiamo guardare e realizzare un film in cui si possono osservare gli elettroni e gli atomi mentre l'onda della densità di carica si sta sciogliendo, e quindi continuare a guardare mentre la struttura ordinata poi si solidifica. I ricercatori sono stati in grado di osservare e confermare chiaramente l'esistenza di questi difetti topologici simili a vortici.”

I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno anche scoperto che il tempo per la risolidificazione, che comporta la dissoluzione di questi difetti, non è uniforme, ma avviene su più scale temporali. L'intensità, o ampiezza, dell'onda di densità di carica recupera molto più rapidamente di quanto non sia l'ordine del reticolo. Questa osservazione è stata possibile solo con la suite di tecniche risolte nel tempo utilizzate nello studio, ognuna delle quali offre una prospettiva unica.

Alfred Zong dice che il prossimo passo nella ricerca sarà cercare di determinare come “ingegnerizzare questi difetti in modo controllato”. Potenzialmente, potrebbe essere usato come un sistema di archiviazione dati, “usando questi impulsi di luce per scrivere i difetti nel sistema, e poi un altro impulso per cancellarli.”

Peter Baum,(3) professore di fisica all'Università di Costanza in Germania, che non era collegato a questa ricerca, afferma: “Questo è un grande lavoro. Un aspetto eccezionale è che tre complesse metodologie quasi completamente diverse sono state combinate per risolvere una questione critica nella fisica ultraveloce, osservando da più punti di vista. i risultati sono importanti per la fisica della materia condensata e la loro ricerca di nuovi materiali, anche se sono elettrizzati al laser e esistono solo per una frazione di secondo.”

Il lavoro è stato svolto in collaborazione con ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT), della Stanford University e del Skoltech. È stato sostenuto dal Dipartimento per l'energia degli Stati Uniti, dalla Fondazione Gordon e Betty Moore, dall'Ufficio di ricerca dell'esercito e dal Programma NPP di Skoltech.

Riferimenti:

(1) Evidence for topological defects in a photoinduced phase transition

(2) Nuh Gedik

(3) Peter Baum

Descrizione foto: Per studiare i cambiamenti di fase nei materiali, come il congelamento e lo scongelamento, i ricercatori hanno usato le onde di densità di carica - le onde elettroniche che sono analoghe alla struttura cristallina di un solido. Hanno scoperto che quando il cambiamento di fase viene attivato da un impulso di luce laser, anziché da un cambiamento di temperatura, si sviluppa in modo molto diverso, a partire da una serie di distorsioni simili a mulinelli denominate difetti topologici. Questa illustrazione descrive uno di questi difetti che interrompono il modello ordinato delle increspature parallele. Per gentile concessione del team scientifico.

Autore: Edoardo Capuano / Foto: MIT