Colpire un materiale con la luce laser invia vibrazioni che si increspano attraverso il suo reticolo di atomi, e allo stesso tempo può spingere il reticolo in una nuova configurazione con proprietà potenzialmente utili:trasformare un isolante in un metallo, ad esempio.

Fino ad ora, gli scienziati presumevano che tutto ciò fosse accaduto in modo regolare, modo coordinato. Ma due nuovi studi mostrano che non è così:quando guardi oltre la risposta media degli atomi e delle vibrazioni per vedere cosa fanno individualmente, la risposta, hanno trovato, è disordinato.

Gli atomi non si muovono agevolmente nelle loro nuove posizioni, come membri di una banda che marciano in un campo; barcollano come festaioli che escono da un bar all'ora di chiusura.

E le vibrazioni innescate dal laser non si estinguono semplicemente; innescano vibrazioni più piccole che innescano vibrazioni ancora più piccole, diffondendo la loro energia sotto forma di calore, come un fiume che si dirama in una complessa rete di ruscelli e rivoli.

Questo comportamento imprevedibile su piccola scala, misurato per la prima volta con una nuova tecnica laser a raggi X presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia, dovrà essere preso in considerazione d'ora in poi nello studio e nella progettazione di nuovi materiali, hanno detto i ricercatori, in particolare i materiali quantistici con potenziali applicazioni nei sensori, finestre intelligenti, stoccaggio e conversione dell'energia e conduttori elettrici super efficienti.

Due squadre internazionali separate, compresi i ricercatori della SLAC e della Stanford University che hanno sviluppato la tecnica, hanno riportato i risultati dei loro esperimenti il ​​20 settembre in Lettere di revisione fisica e oggi in Scienza .

"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 tre leader dello studio riportato in Scienza . "Se il nostro obiettivo finale è controllare il comportamento di questi materiali in modo da poterli passare da una fase all'altra, è molto più difficile controllare il coro ubriaco che la banda musicale".

Sollevare la foschia

Il modo classico per determinare la struttura atomica di una molecola, se da un materiale artificiale o da una cellula umana, è colpirlo con i raggi X, che rimbalzano e si disperdono in un rilevatore. Questo crea uno schema di punti luminosi, chiamati picchi di Bragg, che può essere usato per ricostruire come sono disposti i suoi atomi.

Sorgente luminosa coerente Linac di SLAC (LCLS), con i suoi impulsi laser a raggi X super luminosi e ultraveloci, ha permesso agli scienziati di determinare le strutture atomiche in modo sempre più dettagliato. Possono persino scattare istantanee a fuoco rapido della rottura dei legami chimici, ad esempio, e mettili insieme per fare "film molecolari".

Circa una dozzina di anni fa, David Reis, professore allo SLAC e Stanford e ricercatore presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), si chiedeva se una debole foschia tra i punti luminosi nel rilevatore – 10, 000 volte più deboli di quei punti luminosi, e considerato solo rumore di fondo – potrebbe anche contenere importanti informazioni sui rapidi cambiamenti nei materiali indotti dagli impulsi laser.

Lui e lo scienziato SIMES Mariano Trigo hanno continuato a sviluppare una tecnica chiamata "diffusione diffusa ultraveloce" che estrae informazioni dalla foschia per ottenere un quadro più completo di cosa sta succedendo e quando.

I due nuovi studi rappresentano la prima volta che la tecnica è stata utilizzata per osservare i dettagli di come l'energia si dissipa nei materiali e come la luce innesca una transizione da una fase, o stato, di un materiale all'altro, disse Reis, che insieme a Trigo è coautore di entrambi gli articoli. Queste risposte sono interessanti sia per comprendere la fisica di base dei materiali sia per sviluppare applicazioni che utilizzano la luce per attivare e disattivare le proprietà dei materiali o convertire il calore in elettricità, ad esempio.

"È un po' come gli astronomi che studiano il cielo notturno, " disse Olivier Delaire, un professore associato alla Duke University che ha contribuito a condurre uno degli studi. "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."

Piccole campane e corde di pianoforte

Nello studio pubblicato su Lettere di revisione fisica , Reis e Trigo hanno guidato un team che ha studiato le vibrazioni chiamate fononi che fanno vibrare il reticolo atomico e diffondono calore attraverso un materiale.

I ricercatori sapevano che i fononi innescati dal decadimento degli impulsi laser, liberando la loro energia in tutto il reticolo atomico. Ma dove va a finire tutta quell'energia? I teorici hanno proposto che ogni fonone debba innescarne un altro, fononi più piccoli, che vibrano a frequenze più alte e sono più difficili da rilevare e misurare, ma questi non erano mai stati visti in un esperimento.

Per studiare questo processo alla LCLS, il team ha colpito un sottile film di bismuto con un impulso di luce laser ottica per attivare i fononi, seguito da un impulso laser a raggi X circa 50 quadrilionesimi di secondo dopo per registrare come si sono evoluti i fononi. Gli esperimenti sono stati condotti dallo studente laureato Tom Henighan e dal ricercatore post-dottorato Samuel Teitelbaum dello Stanford PULSE Institute.

Per la prima volta, Trigo ha detto, sono stati in grado di osservare e misurare come i fononi iniziali distribuissero la loro energia su un'area più ampia innescando vibrazioni più piccole. Ognuna di quelle piccole vibrazioni emanava da una distinta macchia di atomi, e la dimensione del cerotto - se conteneva 7 atomi, o 9, o 20 – ha determinato la frequenza della vibrazione. Era molto simile a come suonare una campana grande fa tintinnare campane più piccole nelle vicinanze, o come pizzicare una corda di un pianoforte fa vibrare altre corde.

"Questo è qualcosa che aspettavamo da anni di poterlo fare, quindi eravamo eccitati, " Ha detto Reis. "È una misura di qualcosa di assolutamente fondamentale per la moderna fisica dello stato solido, per tutto, dal modo in cui il calore fluisce nei materiali fino all'uniformità, in linea di principio, come emerge la superconduttività indotta dalla luce, e non sarebbe stato possibile senza un laser a raggi X a elettroni liberi come LCLS".

Una marcia disordinata

L'articolo su Science descrive esperimenti LCLS con biossido di vanadio, un materiale ben studiato che può trasformarsi da isolante a conduttore elettrico in soli 100 quadrilionesimi di secondo.

I ricercatori sapevano già come attivare questo interruttore con tempi molto brevi, impulsi ultraveloci di luce laser. Ma fino ad ora potevano solo osservare la risposta media degli atomi, che sembravano rimescolarsi nelle loro nuove posizioni in modo ordinato, disse Delaire, che ha condotto lo studio con Wall e Trigo.

Il nuovo ciclo di esperimenti di diffusione diffusa presso LCLS ha mostrato il contrario. Colpendo il biossido di vanadio con un laser ottico della giusta energia, i ricercatori sono stati in grado di innescare un sostanziale riarrangiamento degli atomi di vanadio. Lo hanno fatto più di 100 volte al secondo mentre registravano i movimenti dei singoli atomi con il laser a raggi X LCLS. Scoprirono che ogni atomo seguiva un indipendente, percorso apparentemente casuale verso la sua nuova posizione reticolare. Le simulazioni al computer dello studente laureato della Duke Shan Yang hanno confermato questa conclusione.

"I nostri risultati suggeriscono che il disturbo può svolgere un ruolo importante in alcuni materiali, " ha scritto il team nel documento Science. Sebbene ciò possa complicare gli sforzi per controllare il modo in cui i materiali passano da una fase all'altra, hanno aggiunto, "potrebbe in definitiva fornire una nuova prospettiva su come controllare la materia, " e persino suggerire un nuovo modo per indurre la superconduttività con la luce.

In un commento che accompagna il rapporto in Scienza , Andrea Cavalleri dell'Università di Oxford e del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter ha affermato che i risultati implicano che i film molecolari degli atomi che cambiano posizione nel tempo non dipingono un quadro completo della fisica microscopica coinvolta.

Ha aggiunto, "Più generalmente, è chiaro da questo lavoro che i laser a elettroni liberi a raggi X si stanno aprendo molto di più di quanto previsto quando queste macchine erano in fase di progettazione, costringendoci a rivalutare molte vecchie nozioni date per scontate fino ad ora".