Tuttavia, lo sviluppo di tecniche sperimentali è alla base dell’esplorazione di nuovi materiali, aprendo la strada a scoperte rivoluzionarie. Queste tecniche consentono agli scienziati di approfondire le proprietà chimiche e fisiche di un materiale, sbloccando informazioni essenziali per realizzare le loro potenziali applicazioni.

In un recente studio pubblicato sul Journal of Physical Chemistry A , un gruppo di ricerca guidato dalla professoressa associata Kaori Niki dell'Università di Chiba, in Giappone, ha presentato una nuova metodologia per visualizzare sperimentalmente gli orbitali molecolari (MO), ovvero la distribuzione e lo stato degli elettroni in una determinata molecola.

Il loro ultimo articolo, presentato il 29 settembre 2023 e pubblicato online il 26 marzo 2024, è stato scritto in collaborazione con Rena Asano e il Prof. Manabu Hagiwara dell'Università di Chiba, il Prof. Yoichi Yamada dell'Università di Tsukuba e il Prof. . Kazushi Mimura dell'Università della città di Hiroshima.

Il metodo proposto è incentrato sulla tomografia orbitale a fotoemissione (POT). Questa tecnica consiste nel misurare la distribuzione e la quantità di moto degli elettroni rilasciati attorno a un materiale dopo aver assorbito energia dalla luce in entrata. Mappando queste variabili, si possono teoricamente calcolare i MO del materiale.

Nonostante sia promettente, il POT tradizionale deve affrontare diverse sfide che ne limitano notevolmente l’applicabilità. Innanzitutto, sono necessari più cicli di misurazioni POT per sondare il materiale a diverse energie fotoniche e ricostruire MO tridimensionali. Ciò richiede tempo e protocolli sperimentali complessi.

In secondo luogo, per tenere conto adeguatamente delle differenze nell'orientamento molecolare e delle deformazioni in un dato materiale, è necessario combinare il POT con altre tecniche analitiche, il che è piuttosto costoso e noioso. In terzo luogo, le tecniche POT tradizionali sono sensibili al rumore nei dati misurati, il che rende difficile osservare piccoli MO.

Per affrontare tutte queste limitazioni, il team del prof. Niki ha sviluppato una nuova tecnica POT basata su uno strumento di analisi matematica chiamato algoritmo PhaseLift. Questo algoritmo è progettato per affrontare un problema fondamentale nell'elaborazione di segnali e immagini:ricostruire un segnale o un'immagine da misurazioni incomplete o indirette.

Utilizzando PhaseLift, i ricercatori hanno semplificato le mappe del momento fotoelettronico (PMM) ottenute tramite POT in una forma più gestibile, che a sua volta ha permesso loro di calcolare più facilmente e accuratamente i MO desiderati.

Uno dei principali vantaggi dell'approccio proposto è che è possibile ottenere MO precisi da un singolo set di misurazioni PMM. Inoltre, è molto meglio gestire i dati rumorosi. Ciò è, in parte, grazie all'uso intelligente di tecniche basate sulla scarsità, che limita lo spazio in cui le soluzioni dei MO sono considerate solo gli orbitali molecolari più rilevanti.

Sia le analisi teoriche, sia le prove sperimentali, hanno confermato la validità di questo metodo innovativo, mettendone in luce le potenzialità. "Questa ricerca è stata una collaborazione tra matematici, teorici dell'informazione e scienziati fisici e ha coinvolto specificamente sia sperimentali che teorici", spiega il prof. Niki.

"Sfruttando la loro esperienza, abbiamo ottenuto risultati di successo nella ricerca interdisciplinare sulla fusione. Questo approccio collaborativo ci ha permesso di superare le sfide precedenti e fornire un metodo POT che promette una più ampia accessibilità e applicabilità", ha aggiunto.

Utilizzando la tecnica proposta, gli scienziati saranno in grado di visualizzare più facilmente gli stati elettronici delle molecole nei materiali a pellicola sottile. A sua volta, ciò aiuterà a comprendere meglio l'origine di qualsiasi proprietà fisica rilevante, portando a nuovi progetti di materiali intelligenti e ulteriori innovazioni nella scienza applicata.

"Il nostro metodo sviluppato rappresenta una svolta nella visualizzazione degli stati elettronici dei materiali che in precedenza erano difficili da osservare", afferma il prof. Niki.

Riconoscendo l’immenso potenziale offerto dal POT basato su PhaesLift, il prof. Niki e il suo team sperano di diventare pionieri in questo campo di ricerca emergente. "In previsione della diffusione globale del PMM, spero che riusciremo a creare un centro specializzato nell'analisi del PMM prima del resto del mondo", afferma.

"Si spera che questo istituto centrale diventi un centro di innovazione, guidando lo sviluppo di numerosi nuovi materiali che sosterranno l'economia giapponese per il prossimo mezzo secolo."