Plasmi:gas caldi costituiti da elettroni in movimento caotico, ioni, atomi e molecole:comprendono l'interno delle stelle, ma gli scienziati possono crearli artificialmente usando attrezzature speciali in laboratorio. Se un plasma entra in contatto con un solido, come la parete dell'attrezzatura di laboratorio, in determinate circostanze, la parete è cambiata radicalmente e permanentemente:atomi e molecole del plasma possono depositarsi sul materiale solido, o gli ioni di plasma energetici possono far fuoriuscire gli atomi dal solido, e quindi deformare o addirittura distruggere la sua superficie. Un team dell'Istituto di fisica teorica e astrofisica dell'Università di Kiel (CAU) ha scoperto un nuovo sorprendente effetto in cui le proprietà elettroniche del materiale solido, come la sua conduttività elettrica, può essere modificato per impatto ionico in modo controllato, modo estremamente veloce e reversibile. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati in Lettere di revisione fisica .

Da più di 50 anni, scienziati dei campi della fisica del plasma e della scienza dei materiali hanno studiato i processi all'interfaccia tra plasmi e solidi. Però, fino a poco tempo fa i processi che avvengono all'interno del solido sono stati descritti solo in maniera semplificata. Così, previsioni accurate non sono state possibili, e le nuove applicazioni tecnologiche vengono solitamente trovate tramite tentativi ed errori.

Gli scienziati di Kiel hanno anche studiato per molti anni l'interfaccia plasma-solido, sviluppo di nuove diagnostiche sperimentali, modelli teorici e applicazioni tecnologiche. Ma nel loro studio pubblicato di recente, il team di ricerca guidato dal professor Michael Bonitz ha raggiunto un nuovo livello di accuratezza della simulazione. Hanno esaminato i processi nel solido con un'elevata risoluzione temporale e hanno potuto osservare in tempo reale come reagiscono i solidi quando vengono bombardati con ioni di plasma energetici.

Per descrivere questi processi ultraveloci sulla scala di pochi femtosecondi, un quadrilionesimo di secondo, il team ha applicato la precisione di molte particelle, metodi di simulazione quantistica per la prima volta. "Si è scoperto che gli ioni possono eccitare in modo significativo gli elettroni nel solido. Di conseguenza, due elettroni possono occupare una singola posizione reticolare, e quindi formare un cosiddetto doblone, " ha spiegato Bonitz. Questo effetto si verifica in alcune nanostrutture, Per esempio, nei cosiddetti nanonastri di grafene. Si tratta di strisce costituite da un singolo strato di atomi di carbonio, che hanno possibili applicazioni nella nanoelettronica grazie alle loro proprietà meccaniche ed elettriche uniche che includono flessibilità e conduttività estremamente elevate. Attraverso la produzione controllata di tali dobloni, potrebbe diventare possibile alterare le proprietà di tali nanonastri in modo controllato.

"Inoltre, siamo stati in grado di prevedere che questo effetto può essere osservato anche nei reticoli ottici nei gas ultrafreddi, " disse Bonitz. Così, i risultati degli scienziati di Kiel sono importanti anche oltre i confini del campo dell'interazione plasma-solido. Ora, i fisici stanno cercando le condizioni ottimali in cui l'effetto possa essere verificato anche sperimentalmente nei plasmi creati in laboratorio.