I ricercatori hanno sbirciato dietro la cortina della transizione di fase ultraveloce del biossido di vanadio e hanno scoperto che la sua teatralità atomica è molto più complicata di quanto pensassero. È un materiale che ha affascinato gli scienziati per decenni per la sua capacità di passare dall'essere un isolante elettrico a un conduttore.

Lo studio, che appare il 2 novembre sul giornale Scienza , è una collaborazione tra ricercatori della Duke University, lo SLAC National Accelerator Laboratory a Stanford, l'Istituto di scienza e tecnologia di Barcellona, Laboratorio nazionale di Oak Ridge, e il Japan Synchrotron Radiation Research Institute.

Il biossido di vanadio è stato intensamente studiato dai ricercatori per più di cinque decenni a causa della sua insolita capacità di passare da isolante a conduttore alla temperatura convenientemente raggiungibile di 152 gradi Fahrenheit. Mentre altri materiali sono anche in grado di questa transizione, la maggior parte si verifica ben al di sotto della temperatura ambiente, rendendo il biossido di vanadio un'opzione migliore per applicazioni pratiche.

Più recentemente, gli scienziati dei materiali hanno esplorato come avviene questa stessa transizione di fase quando la struttura atomica del materiale è eccitata da un tempo estremamente breve, impulso laser ultraveloce. Ciò che rende il fenomeno così difficile da studiare è la notevole velocità con cui si verifica, circa 100 femtosecondi. È un decimo di milionesimo di milionesimo di secondo.

Gli impulsi a raggi X ultra luminosi alla Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, però, sono ancora più veloci.

Attivando la transizione di fase elettrica del biossido di vanadio con un laser a femtosecondi e quindi eseguendo il ping dei suoi atomi con impulsi a raggi X lunghi solo decine di femtosecondi, i ricercatori sono stati in grado di osservare per la prima volta la transizione in modo completo. Hanno scoperto che, piuttosto che passare da una struttura atomica all'altra in modo diretto, modo collaborativo, gli atomi di vanadio arrivarono alle loro destinazioni attraverso percorsi più imprevedibili e indipendentemente l'uno dall'altro.

"È stato proposto che il materiale passasse da una struttura cristallina all'altra seguendo un metodo deterministico, mescolamento ben definito, " disse Olivier Delaire, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke e uno dei leader dello studio. "Invece abbiamo scoperto che, anche all'interno di una singola transizione, ogni atomo sta facendo le sue cose indipendentemente dagli altri."

"Il disordine che abbiamo riscontrato è molto forte, il che significa che dobbiamo ripensare al modo in cui studiamo tutti questi materiali che pensavamo si comportassero in modo uniforme, " disse Simone Muro, un professore associato presso l'Istituto di Scienze Fotoniche di Barcellona e uno dei leader dello studio.

"Non si muovono agevolmente nelle loro nuove posizioni come i membri di una band che marciano lungo un campo; barcollano come i festaioli che lasciano un bar all'ora di chiusura, " ha detto Wall. "Se il nostro obiettivo finale è controllare il comportamento di questi materiali in modo da poterli passare avanti e indietro da una fase all'altra, è molto più difficile controllare il coro ubriaco che la banda musicale".

Per svelare il significato delle osservazioni sperimentali, Il gruppo di Delaire alla Duke ha anche condotto simulazioni al supercomputer della dinamica atomica nel materiale. Le simulazioni sono state eseguite su supercomputer presso il National Energy Research Scientific Computing Center e l'Oak Ridge Leadership Computing Facility.

"È stato strabiliante quando la mia studentessa Shan Yang mi ha mostrato i risultati delle sue simulazioni quantistiche di moti atomici, " continuò Delaire. "Si adattava quasi perfettamente ai "film" sperimentali delle intensità dei raggi X registrate, anche senza la necessità di parametri regolabili."

Studi precedenti non avevano accesso alla risoluzione spaziale e temporale offerta dalla LCLS, e poteva solo misurare le medie dei comportamenti atomici del materiale. A causa di queste limitazioni, non potevano vedere l'importanza delle deviazioni casuali dai movimenti medi degli atomi di vanadio.

Con la sensibilità del LCLS tuttavia, i ricercatori potevano avere un quadro molto più chiaro di ciò che stava accadendo.

"È un po' come gli astronomi che studiano il cielo notturno, " ha detto Delaire. "Gli studi precedenti potevano vedere solo le stelle più luminose visibili ad occhio nudo. Ma con gli impulsi a raggi X ultraluminosi e ultraveloci, siamo stati in grado di vedere i segnali deboli e diffusi della galassia della Via Lattea tra di loro."

Questo studio, e ad altri piace, sono fondamentali per comprendere il comportamento dei materiali fotoeccitati. Per esempio, se opportunamente imbrigliato, la reazione atomica del biossido di vanadio rivelata in questo studio potrebbe costituire la base di transistor ultraveloci per computer che combinano fotoni ed elettroni. E i ricercatori stanno anche usando questo concetto generale nel perseguimento del sogno dei superconduttori a temperatura ambiente.

"La nuova conoscenza che abbiamo acquisito nel processo della transizione fotoindotta da isolante a metallo nel biossido di vanadio dovrebbe essere direttamente rilevante per rivalutare la nostra comprensione di altri materiali, " ha detto Delaire. "Stiamo appena iniziando a esplorare questo nuovo regno di essere in grado di controllare i comportamenti dei materiali semplicemente illuminandoli, e combinando strutture a raggi X all'avanguardia con supercomputer per seguire ciò che sta accadendo. E stiamo scoprendo che le dinamiche atomiche coinvolte sono ancora più complicate di quanto pensassimo in precedenza".