Utilizzando una tecnica a raggi X disponibile presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), gli scienziati hanno scoperto che la transizione metallo-isolante nel materiale correlato magnetite è un processo in due fasi. I ricercatori dell'Università della California Davis hanno pubblicato il loro articolo sulla rivista Lettere di revisione fisica . NSLS-II, una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE) situata presso il Brookhaven National Laboratory, ha caratteristiche uniche che consentono di applicare la tecnica con stabilità e controllo per lunghi periodi di tempo.

"I materiali correlati hanno un'elettronica interessante, magnetico, e proprietà strutturali, e cerchiamo di capire come cambiano quelle proprietà al variare della loro temperatura o sotto l'applicazione di impulsi luminosi, o un campo elettrico" disse Roopali Kukreja, un professore della UC Davis e l'autore principale del documento. Una di queste proprietà è la conduttività elettrica, che determina se un materiale è metallico o un isolante.

Se un materiale è un buon conduttore di elettricità, di solito è metallico, e se non lo è, è quindi noto come isolante. Nel caso della magnetite, la temperatura può cambiare se il materiale è un conduttore o un isolante. Per lo studio pubblicato, l'obiettivo dei ricercatori era vedere come la magnetite cambiava da isolante a metallica a livello atomico man mano che diventava più calda.

In qualsiasi materiale, c'è una disposizione specifica di elettroni all'interno di ciascuno dei suoi miliardi di atomi. Questo ordinamento degli elettroni è importante perché determina le proprietà di un materiale, ad esempio la sua conduttività. Per comprendere la transizione metallo-isolante della magnetite, i ricercatori avevano bisogno di un modo per osservare come la disposizione degli elettroni nel materiale cambiasse con l'alterazione della temperatura.

"Questa disposizione elettronica è legata al motivo per cui crediamo che la magnetite diventi un isolante, " disse Kukreja. Tuttavia, studiare questa disposizione e come cambia in condizioni diverse ha richiesto agli scienziati di essere in grado di osservare la magnetite su una scala minuscola.

La tecnica, nota come spettroscopia di correlazione fotonica a raggi X (XPCS), disponibile presso la linea di luce Coherent Soft X-ray scattering (CSX) di NSLS-II, ha permesso ai ricercatori di osservare come il materiale è cambiato su scala nanometrica, nell'ordine di miliardesimi di metro.

"CSX è progettato per la diffusione coerente di raggi X morbidi. Ciò significa che la linea di luce sfrutta il nostro raggio ultraluminoso, fonte stabile e coerente di raggi X per analizzare come la disposizione dell'elettrone cambia nel tempo, " ha spiegato Andi Barbour, uno scienziato CSX che è coautore dell'articolo. "L'eccellente stabilità consente ai ricercatori di studiare piccole variazioni nel corso delle ore in modo da poter rivelare il comportamento intrinseco degli elettroni nei materiali".

Però, questo non è direttamente visibile, quindi XPCS utilizza un trucco per rivelare le informazioni.

"La tecnica XPCS è un metodo di scattering coerente in grado di sondare le dinamiche in un sistema di materia condensata. Un modello di speckle viene generato quando un raggio di raggi X coerente viene diffuso da un campione, come impronta della sua disomogeneità nello spazio reale, " ha detto Wen Hu, uno scienziato al CSX e coautore dell'articolo.

Gli scienziati possono quindi applicare condizioni diverse al loro materiale e, se lo schema delle macchioline cambia, significa che l'ordinamento degli elettroni nel campione sta cambiando. "Essenzialmente, XPCS misura quanto tempo impiega l'intensità di una macchiolina a diventare molto diversa dall'intensità media, che è noto come decorrelazione, "ha detto Claudio Mazzoli, lo scienziato capo della linea di luce presso la linea di luce CSX. "Considerando molte macchioline in una volta, il tempo di decorrelazione dell'insieme è la firma della scala temporale dinamica per una data condizione del campione."

La tecnica ha rivelato che la transizione metallo-isolante non è un processo in una sola fase, come si pensava in precedenza, ma in realtà avviene in due passaggi.

"Ci aspettavamo che le cose andassero sempre più veloci durante il riscaldamento. Quello che abbiamo visto è che le cose diventano sempre più veloci e poi rallentano. Quindi la fase veloce è un passo e il secondo passo è il rallentamento, e questo deve accadere prima che il materiale diventi metallico, " ha detto Kukreja. Gli scienziati sospettano che il rallentamento avvenga perché, durante il cambio di fase, le proprietà metalliche e isolanti esistono effettivamente contemporaneamente nel materiale.

"Questo studio mostra che queste scale di lunghezza nanometrica sono davvero importanti per questi materiali, " ha detto Kukreja. "Non possiamo accedere a queste informazioni ea questi parametri sperimentali da nessun'altra parte se non alla linea di luce CSX di NSLS-II."