Atomiska 'GPS': Kvantmaterialövergångar som fångas i första någonsin atomfilmer

Gli scienziati di Brookhaven hanno utilizzato la loro nuova tecnica di distribuzione di coppia ultraveloce (uf-PDF) per esplorare la transizione di un materiale quantistico a una fase materiale precedentemente sconosciuta. Lo schema sopra mostra come l'assorbimento di un fotone laser avvia un piccolo cambiamento che si propaga attraverso il materiale nel tempo, anziché cambiare istantaneamente l'intero materiale. Credito: Jack Griffiths/Brookhaven National Laboratory

Gli scienziati hanno sviluppato una tecnica per creare filmati atomici che mostrano la transizione di un materiale quantistico da isolante a metallo, scoprendo una nuova fase materiale e facendo progredire la comprensione delle proprietà dei materiali con implicazioni significative per la progettazione dei materiali.

Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE) hanno creato i primi filmati atomici in assoluto che mostrano come gli atomi si riorganizzano localmente all'interno di un materiale quantistico durante la transizione da isolante a metallo. Con l'aiuto di questi filmati, i ricercatori hanno scoperto una nuova fase materiale che risolve un dibattito scientifico durato anni e potrebbe facilitare la progettazione di nuovi materiali in transizione con applicazioni commerciali. Questa ricerca, recentemente pubblicata su Nature Materials, segna un traguardo metodologico; i ricercatori hanno dimostrato che una tecnica di caratterizzazione dei materiali chiamata analisi della funzione di distribuzione delle coppie atomiche (PDF) è fattibile, e di successo, presso le strutture laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL). 

La PDF è in genere impiegata per esperimenti con sorgenti di luce di sincrotrone, durante i quali i campioni vengono bombardati con impulsi di raggi X. Studiando come i modelli di diffrazione dei raggi X cambiano dopo l'interazione con i materiali, gli scienziati possono comprendere meglio le proprietà di tali materiali. Ma questi esperimenti sono limitati dagli impulsi di raggi X più brevi che possono essere generati. "È come la velocità dell'otturatore di una macchina fotografica", ha spiegato Jack Griffiths, coautore principale dell'articolo. 

"Se si scatta una foto di qualcosa che cambia più velocemente della velocità dell'otturatore della macchina fotografica, la foto sarà sfocata. Come una velocità dell'otturatore rapida, impulsi di raggi X più brevi ci aiutano a visualizzare materiali che cambiano rapidamente in modo più dettagliato". Griffiths era un ricercatore post-dottorato presso l'X-ray Scattering Group all'interno del Dipartimento di fisica della materia condensata e scienza dei materiali (CMPMS) di Brookhaven quando è stata condotta la ricerca ed è ora un ricercatore post-dottorato presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una struttura utente dell'Office of Science del DOE presso il Brookhaven Lab.

Le sorgenti di luce di sincrotrone sono eccellenti per caratterizzare materiali che non cambiano o materiali che cambiano nel giro di minuti o ore, come le batterie durante la carica e la scarica. Ma questo gruppo di scienziati voleva osservare i cambiamenti dei materiali su scale temporali del picosecondo.

"È difficile immaginare quanto sia veloce un picosecondo in realtà", ha affermato Griffiths. In un secondo, la luce può viaggiare attorno alla Terra sette volte e mezzo. Ma in un picosecondo, la luce può viaggiare solo per un terzo di millimetro. "Le scale temporali sono quasi incomparabili". Quindi, gli scienziati hanno portato la tecnica PDF a un XFEL chiamato Linac Coherent Light Source (LCLS), una struttura utente dell'Office of Science del DOE presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del DOE che genera impulsi di raggi X incredibilmente luminosi e brevi.

"Quando fai qualcosa per la prima volta, c'è sempre questo aspetto di sconosciuto. Può essere snervante ma anche molto eccitante", ha affermato Emil Bozin, l'altro coautore principale e fisico del CMPMS X-ray Scattering Group. "Conoscevamo i limiti fondamentali dell'introduzione del PDF in un XFEL, ma non sapevamo davvero cosa aspettarci".

Il coautore dello studio Simon Billinge, che ha un incarico congiunto presso il Brookhaven Lab e la Columbia University. Credito: Timothy Lee/Columbia Engineering

Con la rapida "velocità dell'otturatore" di LCLS, gli scienziati sono stati in grado di creare filmati che spiegano il movimento atomico, come quello che si verifica quando il loro campione di materiale quantistico passa da un metallo a un isolante. "Sono rimasto semplicemente sbalordito da quanto funzionasse bene", ha affermato Simon Billinge, fisico dell'X-ray Scattering Group e professore alla School of Engineering and Applied Science della Columbia University. "È come avere bisogno di un'app di navigazione", ha aggiunto Billinge. "Sai dove ti trovi ora e qual è la tua destinazione, ma hai bisogno che l'app ti fornisca un percorso o alcune opzioni di percorso. 

Ultrafast PDF era la nostra app di navigazione". Comprendere questi percorsi atomici è un primo passo importante per progettare materiali in transizione con una miriade di applicazioni in informatica, chimica e accumulo di energia. Una volta che gli scienziati hanno capito come avviene la transizione dei materiali, possono manipolare i percorsi atomici e progettare materiali ottimizzati per applicazioni commerciali. I materiali di memoria dei computer, ad esempio, passano a una fase diversa quando viene salvato un file. In questo caso, è importante avere materiali che non richiedano molta energia per cambiare fase. Ma devono anche essere resistenti a cambi di fase indesiderati e alla corruzione dei dati per lungo tempo.