Negli esperimenti allo SLAC, singoli impulsi di luce laser sono stati utilizzati per commutare il disolfuro di tantalio da uno stato all'altro e viceversa. In senso orario da sinistra:un singolo impulso luminoso trasforma il materiale dalla sua origine, stato alfa (rosso) in una miscela di stati alfa e beta (blu) separati da pareti di dominio (a destra). Un secondo impulso luminoso dissolve le pareti del dominio e il materiale ritorna al suo stato originale. Switch come questo potrebbero potenzialmente portare allo sviluppo di nuovi tipi di dispositivi di archiviazione dati. Credito:progressi scientifici
Gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e del Massachusetts Institute of Technology hanno dimostrato un modo sorprendentemente semplice di capovolgere un materiale da uno stato all'altro, e poi di nuovo, con singoli lampi di luce laser.
Questo comportamento di commutazione è simile a quello che accade nei materiali di memorizzazione dei dati magnetici, e fare il passaggio con la luce laser potrebbe offrire un nuovo modo di leggere e scrivere informazioni nei dispositivi di archiviazione dati di prossima generazione, tra le altre applicazioni senza precedenti, dice Nuh Gedik, ricercatore principale dello studio al MIT. Il team ha riportato i risultati oggi in Progressi scientifici .
Onde congelate di elettroni
Nei dispositivi di oggi, le informazioni vengono memorizzate e recuperate invertendo lo spin degli elettroni con un campo magnetico. "Ma qui abbiamo capovolto una diversa proprietà del materiale nota come onde di densità di carica, "dice Alfred Zong, uno studente laureato nel gruppo di Gedik e uno degli autori principali dello studio.
Le onde di densità di carica sono picchi e valli periodici nel modo in cui gli elettroni sono distribuiti in un materiale. sono immobili, come onde ghiacciate su un lago ghiacciato. Gli scienziati vogliono saperne di più su queste onde perché spesso coesistono con altre interessanti proprietà dei materiali, come la capacità di condurre elettricità senza perdite a temperature relativamente elevate, e potrebbe essere potenzialmente correlato a tali proprietà.
Questa immagine al microscopio elettronico a trasmissione mostra una parete di dominio (contrassegnata con cerchi gialli) tra due diversi stati, alfa (area rossa) e beta (area blu), in un cristallo di disolfuro di tantalio. Lo stato beta e la parete del dominio si sono formati dopo che il cristallo è stato colpito da un singolo impulso luminoso. Credito:progressi scientifici
Il nuovo studio si è concentrato sul disolfuro di tantalio, un materiale con onde di densità di carica che sono tutte orientate nella stessa direzione in quello che viene chiamato lo stato alfa. Quando i ricercatori hanno fulminato un sottile cristallo del materiale con un brevissimo impulso laser, alcune delle onde sono passate in uno stato beta con un diverso orientamento degli elettroni, e le regioni alfa e beta erano separate da pareti di dominio. Un secondo lampo di luce dissolse le pareti del dominio e riportò il materiale al suo stato alfa puro.
Interruttore materiale sorprendente
Questi cambiamenti nel materiale, che non si era mai visto prima, sono stati rilevati con lo strumento SLAC per la diffrazione elettronica ultraveloce (UED), una "telecamera elettronica" ad alta velocità che sonda i movimenti della struttura atomica di un materiale con un potente fascio di elettroni molto energetici.
"Cercavamo altri effetti nel nostro esperimento, quindi siamo rimasti completamente sorpresi quando abbiamo visto che possiamo scrivere e cancellare i muri di dominio con singoli impulsi di luce, "dice Xijie Wang, capo del gruppo UED di SLAC.
I modelli di intensità registrati con la "fotocamera elettronica" di SLAC hanno mostrato ai ricercatori come la struttura atomica di un cristallo di disolfuro di tantalio ha risposto ai lampi laser, passare da uno stato alfa (a sinistra) a uno stato alfa/beta (a destra) e viceversa. I modelli di intensità sono stati utilizzati per ricostruire la struttura atomica. Credito:progressi scientifici
Anshul Kogar, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Gedik, dice, "Le pareti del dominio sono una caratteristica particolarmente interessante perché hanno proprietà che differiscono dal resto del materiale". Per esempio, potrebbero avere un ruolo nel drastico cambiamento osservato nella resistenza elettrica del disolfuro di tantalio quando è esposto a impulsi di luce ultracorti, che è stato precedentemente osservato da un altro gruppo.
Xiaozhe Shen, scienziato dello staff dello SLAC, uno degli autori principali dello studio del team di Wang, dice, "UED ci ha permesso di analizzare in dettaglio come i domini si sono formati nel tempo, quanto erano grandi e come erano distribuiti nel materiale."
I ricercatori hanno anche scoperto che possono mettere a punto il processo regolando la temperatura del cristallo e l'energia dell'impulso luminoso, dando loro il controllo sul cambio materiale. In un passaggio successivo, la squadra vuole ottenere ancora più controllo, ad esempio modellando l'impulso luminoso in modo tale da consentire la generazione di particolari pattern di dominio nel materiale.
"Il fatto che possiamo accordare un materiale in modo molto semplice sembra molto fondamentale, " dice Wang. "Così fondamentale, infatti, che potrebbe rivelarsi un passo importante verso l'utilizzo della luce nella creazione delle esatte proprietà del materiale che desideriamo".
