Un gruppo di ricercatori guidati da Andrea Cavalleri dell'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia (MPSD) di Amburgo ha dimostrato un nuovo metodo che consente misurazioni precise delle forze interatomiche che tengono insieme i solidi cristallini. Il documento Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, pubblicato online in Natura , spiega come un impulso laser a frequenza terahertz può guidare deformazioni molto grandi del cristallo. Misurando le traiettorie atomiche altamente insolite sotto transitori elettromagnetici estremi, il gruppo MPSD potrebbe ricostruire quanto siano rigidi i legami atomici a grandi distanze dalle disposizioni di equilibrio. Ciò promette nuove intuizioni sulle proprietà meccaniche della materia e sulla loro instabilità in prossimità dei cambiamenti di fase.

I cristalli sono tenuti insieme da forze estremamente forti, che determinano tutte le loro proprietà termiche e meccaniche. La temperatura alla quale un materiale specifico si scioglie o cambia forma e la resistenza del materiale alla pressione e alle distorsioni di taglio sono tutte determinate da questo "campo di forza". È la base di qualsiasi descrizione da manuale di un materiale ed è calcolata di routine con metodi teorici sofisticati. Ancora, fino ad ora nessun esperimento poteva validare quantitativamente questi calcoli o almeno misurare il campo di forza.

In un recente studio del gruppo MPSD guidato da Andrea Cavalleri, lampi laser ultracorti a frequenze del medio infrarosso sono stati utilizzati per spostare gli atomi lontano dalla loro disposizione di equilibrio. Misurando come gli stessi atomi sono stati fatti suonare dopo che l'impulso è stato spento, il gruppo di ricerca MPSD potrebbe ricostruire la natura delle forze che tengono insieme il cristallo.

"Usiamo forti campi laser per guidare gli atomi a spostamenti in cui la loro dinamica non può più essere descritta all'interno dell'approssimazione armonica, " spiega Alexander von Hoegen, dottorato presso la MPSD e primo autore di questo articolo. "In questa situazione, le forze di ripristino agenti sugli atomi non sono più lineari proporzionali agli spostamenti dalle posizioni di equilibrio, come sarebbero nel caso di piccole oscillazioni in un pendolo."

Tale fononica non lineare è ad esempio manifestata dal fatto che gli atomi non solo oscillano alla loro frequenza naturale, ma anche a più sfumature, le cosiddette armoniche superiori osservate in questo studio.

I corrispondenti spostamenti atomici, enorme sulla scala delle distanze interatomiche, sono tuttavia solo dell'ordine di pochi picometri, cioè un milionesimo di miliardesimo di metro. Le vibrazioni sono state tracciate con un secondo, impulso laser ancora più breve. Sebbene sia stato scoperto che gli atomi oscillano con velocità superiori a 1000 m/s, il loro movimento poteva essere seguito al rallentatore. Questa misurazione risolta nel tempo è stata fondamentale per ricostruire le forze che agiscono sugli atomi.

Questo lavoro dell'MPSD stabilisce un nuovo tipo di spettroscopia non lineare che cattura una delle proprietà microscopiche più fondamentali dei materiali, sottolineando la potenza delle nuove sorgenti ottiche avanzate e aprendo la strada al futuro, una classe di esperimenti ancora più perspicace al laser a elettroni liberi a raggi X di Amburgo.