Illustrazione di una luce laser ultracorta che colpisce un cristallo di ossido di nichel stronzio lantanio, innescando la fusione delle strisce su scala atomica. Le cariche (gialle) diventano rapidamente mobili mentre le distorsioni cristalline reagiscono solo con ritardo, esporre le interazioni sottostanti. Credito:Robert Kaindl/Berkeley Lab
Le strisce possono essere trovate ovunque, dalle zebre che vagano allo stato brado all'ultima moda. Nel mondo della fisica microscopica, modelli di strisce periodiche possono essere formati da elettroni all'interno dei cosiddetti materiali quantistici.
Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno ora districato le intriganti dinamiche di come tali strisce su scala atomica si fondono e si formano, fornendo approfondimenti fondamentali che potrebbero essere utili nello sviluppo di nuovi materiali energetici.
In materiali quantistici fortemente correlati, le interazioni tra gli elettroni regnano sovrane. Il complesso accoppiamento di questi elettroni tra loro - e con gli spin degli elettroni e le vibrazioni dei cristalli - si traduce in fasi esotiche come l'ordinamento di carica o la superconduttività ad alta temperatura.
"Un obiettivo chiave della fisica della materia condensata è comprendere le forze responsabili di fasi complesse e le transizioni tra di esse, " ha detto Robert Kaindl, un investigatore principale e scienziato del personale presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab. "Ma nel mondo microscopico, le interazioni sono spesso estremamente veloci. Se riscaldiamo o raffreddiamo lentamente un materiale per cambiarne la fase, possiamo perdere l'azione sottostante."
Kaindl ei suoi colleghi hanno utilizzato impulsi laser ultraveloci per separare le dinamiche microscopiche di materiali quantistici correlati per accedere alle interazioni tra gli elettroni e con il reticolo atomico del cristallo nel dominio del tempo.
Per questo studio, i ricercatori hanno lavorato con nichelato di lantanio, un materiale quantistico e un composto di strisce modello. In particolare, i ricercatori hanno studiato le cariche elettroniche che formano il motivo a strisce e il modo in cui si accoppiano al reticolo cristallino.
Il modo in cui le cariche interagiscono con il cristallo è un ingrediente chiave per la fisica delle strisce, hanno detto i ricercatori.
Robert Kaindl (a sinistra) e Giacomo Coslovich accanto al setup sperimentale che genera impulsi di luce ultracorti nel vicino infrarosso e nella gamma spettrale dei terahertz. Credito:Lingkun Zeng/Berkeley Lab
"Il reticolo cristallino si distorce fortemente attorno alle strisce di carica, " disse Giacomo Coslovich, che ha svolto il lavoro mentre era ricercatore post-dottorato al Berkeley Lab. "Questo cambiamento della simmetria del cristallo si traduce in nuove vibrazioni reticolari, che possiamo a nostra volta rilevare con la luce a frequenze terahertz."
Kaindl e Coslovich sono autori corrispondenti di un articolo che riporta questi risultati in Progressi scientifici .
Nei loro esperimenti, il materiale viene eccitato otticamente da un impulso laser nel vicino infrarosso della durata di 50 femtosecondi, e sondato con un impulso terahertz con ritardo di tempo variabile. Un femtosecondo è un milionesimo di un miliardesimo di secondo.
I ricercatori hanno scoperto dinamiche inaspettate quando si utilizza il laser per interrompere l'ordine microscopico.
"La cosa interessante è che mentre il laser ha immediatamente eccitato gli elettroni, le distorsioni vibrazionali nel cristallo inizialmente rimasero congelate, " disse Coslovich, che ora è uno scienziato associato presso lo SLAC National Accelerator Laboratory. "Le vibrazioni della fase a strisce sono scomparse solo dopo alcune centinaia o poche migliaia di femtosecondi. Abbiamo anche concluso che la velocità dipende dalla direzione delle interazioni".
L'interpretazione degli esperimenti è stata supportata da simulazioni della dispersione fononica di Alexander Kemper della North Carolina State University.
I risultati forniscono importanti informazioni sulle interazioni, o "colla, " che accoppiano gli elettroni alle vibrazioni del reticolo nel nichelato di lantanio. Tuttavia, la loro più ampia rilevanza deriva da recenti osservazioni dell'ordine di carica nei superconduttori ad alta temperatura - materiali in cui le correnti elettriche possono fluire senza resistenza a temperature superiori al punto di ebollizione dell'azoto liquido. Mentre il meccanismo rimane sconcertante, studi recenti hanno dimostrato la capacità di indurre la superconduttività sopprimendo le strisce con brevi impulsi di luce.
"Si pensa che le strisce fluttuanti si verifichino nei superconduttori non convenzionali. Il nostro studio pone un limite di velocità alla velocità con cui tali modelli possono cambiare, " ha detto Kaindl. "Evidenzia l'importanza di considerare sia la struttura spaziale che temporale della colla".