Molte persone immaginano la conduttività elettrica come il flusso di particelle cariche (principalmente elettroni) senza pensare realmente alla struttura atomica del materiale attraverso il quale si muovono tali cariche. Ma gli scienziati che studiano materiali "elettronici fortemente correlati" come i superconduttori ad alta temperatura e quelli con forti risposte al magnetismo sanno che l'immagine è troppo semplicistica. Sanno che gli atomi giocano un ruolo cruciale nel determinare le proprietà di un materiale.

Per esempio, la resistenza elettrica è una manifestazione della dispersione degli elettroni dagli atomi. Meno evidente è il concetto che elettroni e atomi possono muoversi in modo cooperativo per fermare il flusso di carica o, nell'altro estremo, far fluire liberamente gli elettroni senza resistenza.

Ora, un team guidato dal fisico Yimei Zhu presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha prodotto prove definitive che il movimento degli elettroni ha un effetto diretto sulle disposizioni atomiche, guidare le deformazioni nel reticolo cristallino 3D di un materiale in modi che possono alterare drasticamente il flusso di corrente. Trovare prove per queste forti interazioni elettrone-reticolo, conosciuti come polaroni, sottolinea la necessità di quantificare il loro impatto su fenomeni complessi come la superconduttività (la capacità di alcuni materiali di trasportare corrente senza perdita di energia) e altre proprietà promettenti.

Come descritto in un articolo appena pubblicato sulla rivista Nature partner npj Materiali quantistici , il team ha sviluppato un sistema di "diffrazione elettronica ultraveloce", una nuova tecnica di imaging guidata dal laser e la prima del suo genere al mondo, per catturare le sottili distorsioni del reticolo su scala atomica. Il metodo ha un'ampia potenziale applicazione per lo studio di altri processi dinamici.

"La tecnica è simile all'utilizzo della fotografia stroboscopica per rivelare la traiettoria di una palla, " ha detto Zhu. "Utilizzando diversi ritardi tra il lancio della palla e lo scatto della foto, puoi catturare l'azione dinamica, " Egli ha detto.

Ma per immagini dinamiche su scala atomica, hai bisogno di un flash molto più veloce e di un modo per mettere in movimento oggetti di scala subatomica.

La macchina sviluppata dal team di Brookhaven utilizza un impulso laser per dare agli elettroni in un materiale campione un "calcio" di energia. Allo stesso tempo, un secondo laser diviso dal primo genera esplosioni molto veloci di elettroni ad alta energia (2,8 mega-elettronvolt) per sondare il campione. Gli elettroni che compongono questi "lampeggiamenti" di 130 femtosecondi, ciascuno della durata di appena 0. 00000000000013 secondi, si disperdono dal campione e creano schemi di diffrazione che rivelano le posizioni degli atomi. Variando il tempo di ritardo tra l'impulso e la sonda, gli scienziati possono catturare i sottili cambiamenti nelle disposizioni atomiche mentre il reticolo risponde agli elettroni "sballati".

"Questo è simile alla diffrazione dei raggi X, ma usando gli elettroni otteniamo un segnale molto più grande, e l'elevata energia degli elettroni della sonda ci dà un migliore accesso alla misurazione del movimento preciso degli atomi, " disse Zhu. Inoltre, il suo microscopio può essere costruito per una frazione di quello che costerebbe costruire una sorgente di luce a raggi X ultraveloce. "Questa è una macchina 'costruita in casa'."

Risultati chiave

Gli scienziati hanno usato questa tecnica per studiare le interazioni elettrone-reticolo in un ossido di manganese, un materiale di interesse di lunga data a causa di quanto drammaticamente la sua conduttività possa essere influenzata dalla presenza di un campo magnetico. Hanno rilevato una firma rivelatrice di elettroni che interagiscono con e alterano la forma del reticolo atomico, vale a dire, un "rilassamento" in due fasi esibito dagli elettroni sollevati e dai loro atomi circostanti.

In un normale rilassamento a un passo, gli elettroni sollevati da un'esplosione di energia da una posizione atomica all'altra adattano rapidamente la loro "forma" al nuovo ambiente.

"Ma in materiali fortemente correlati, gli elettroni sono rallentati dalle interazioni con altri elettroni e dalle interazioni con il reticolo, " disse Weiguo Yin, un altro fisico di Brookhaven che lavora allo studio. "È come un ingorgo con molte macchine che si muovono più lentamente".

In effetti, gli elettroni con carica negativa e i nuclei atomici con carica positiva rispondono l'uno all'altro in un modo che fa sì che ciascuno cerchi di adattarsi alla "forma" dell'altro. Quindi una nuvola di elettroni allungata, quando si entra in uno spazio atomico simmetrico, comincia ad assumere una forma più sferica, mentre allo stesso tempo, gli atomi che compongono il reticolo, spostare le posizioni per cercare di accogliere la nuvola di elettroni allungata. Nella seconda fase, questo in mezzo, spingimi, l'arrangiamento pull-you si rilassa gradualmente a quello che ci si aspetterebbe in un rilassamento a un passo.

"Questo comportamento in due fasi, che possiamo vedere con la nostra diffrazione elettronica ultraveloce, è la prova che le vibrazioni del reticolo interagiscono con gli elettroni in modo tempestivo. Sono la prova che i polaroni esistono, "Ha detto Yin.

La scoperta fornisce informazioni su come la risposta del reticolo aiuta a generare l'enorme diminuzione della resistenza elettrica che le manganiti sperimentano in un campo magnetico, un effetto noto come magnetoresistenza colossale.

"Le forme delle nuvole di elettroni sono legate agli attributi magnetici degli elettroni, " Yin ha spiegato. "Quando i momenti magnetici degli elettroni sono allineati in un campo magnetico, la forma della nuvola elettronica e la disposizione atomica diventano più simmetriche e omogenee. Senza la necessità di suonare il push-me, gioco di tiro, le cariche elettriche possono fluire più facilmente."

Questo lavoro mostra che un laser ultraveloce può modificare rapidamente elettronica, magnetico, e la dinamica del reticolo in materiali elettronici fortemente correlati:un approccio che potrebbe portare a nuove promettenti applicazioni tecniche, come memorie ultraveloci o altri dispositivi elettronici ad alta velocità.

"Il nostro metodo può essere utilizzato per comprendere meglio queste interazioni dinamiche, e suggerisce che sarà anche utile per studiare altri processi dinamici per scoprire stati nascosti e altri comportamenti materiali esotici, " disse Zhu.