La "frustrazione" più un impulso di luce laser ha portato a un "supercristallo" stabile creato da un team di ricercatori guidati da Penn State e dall'Argonne National Laboratory, insieme all'Università della California, Berkeley, e altri due laboratori nazionali.

Questo è uno dei primi esempi di un nuovo stato della materia con stabilità a lungo termine trasfigurato dall'energia di un impulso laser sub-pico-secondo. L'obiettivo della squadra, sostenuto dal Dipartimento dell'Energia, è scoprire stati interessanti della materia con proprietà insolite che non esistono in equilibrio in natura.

"Cerchiamo stati nascosti della materia portando la materia fuori dal suo stato confortevole, che chiamiamo stato fondamentale, "dice il capo della squadra della Penn State Venkatraman Gopalan, professore di scienze dei materiali. "Lo facciamo eccitando gli elettroni in uno stato superiore usando un fotone, e poi osservare come il materiale ritorna al suo stato normale. L'idea è che nello stato eccitato, o in uno stato che attraversa per un batter d'occhio sulla strada per lo stato fondamentale, troveremo proprietà che vorremmo avere, come nuove forme di polare, stati magnetici ed elettronici”.

La ricerca di questi stati viene eseguita mediante una tecnica a pompa di sonda quando un laser spara un fotone sul campione per 100 femtosecondi a una lunghezza d'onda di 400 nanometri, luce blu. La luce della pompa eccita gli elettroni in uno stato energetico più elevato ed è rapidamente seguita da una luce della sonda, che è un impulso di luce più delicato che legge lo stato del materiale. La sfida per il team era trovare un modo per mantenere lo stato intermedio della materia, perché lo stato può esistere solo per qualche piccola frazione di secondo e poi scomparire. Però, i ricercatori hanno scoperto che, a temperatura ambiente, il supercristallo è bloccato in quello stato essenzialmente per sempre.

Gopalan paragona questa sfida al lancio di una palla che rotola giù per il fianco di una montagna. Non si fermerà finché non raggiungerà il fondo della montagna, a meno che qualcosa non si metta in mezzo, dire una sporgenza. Il team ha raggiunto questo obiettivo "frustrando il sistema", non permettendo al materiale di fare ciò che vuole fare, il che è quello di consentirgli di ridurre al minimo la sua energia completamente senza vincoli.

I ricercatori lo hanno fatto utilizzando singoli strati atomici di due materiali, titanato di piombo e titanato di stronzio, impilati in strati alternati uno sopra l'altro per costruire una struttura tridimensionale. Il titanato di piombo è un ferroelettrico, un materiale polare che ha polarizzazione elettrica che porta a poli elettrici positivi e negativi nel materiale. Il titanato di stronzio non è un materiale ferroelettrico. Questo disallineamento ha costretto i vettori di polarizzazione elettrica a prendere un percorso innaturale, curvandosi su se stessi per fare vortici, come l'acqua che scorre in uno scarico.

Il team di Berkeley ha coltivato questi strati sopra un substrato di cristallo i cui cristalli erano di dimensioni intermedie tra i due materiali stratificati. Ciò forniva un secondo livello di "frustrazione, " mentre lo strato di titanato di stronzio cercava di allungarsi per conformarsi alla struttura cristallina del substrato, e il titanato di piombo doveva comprimersi per conformarsi ad esso. Ciò ha messo l'intero sistema in uno stato delicato ma "frustrato" con più fasi distribuite casualmente nel volume.

A questo punto, i ricercatori hanno eliminato il materiale con un impulso laser, che scarica cariche gratuite nel materiale, aggiungendo ulteriore energia elettrica al sistema, guidandolo in un nuovo stato della materia, un supercristallo. Questi supercristalli hanno una cella unitaria, l'unità ripetitiva più semplice in un cristallo, molto più grande di qualsiasi normale cristallo inorganico, con un volume un milione di volte più grande delle celle unitarie dei due materiali originali. Il materiale trova questo stato da solo.

A differenza degli stati transitori, questo stato di supercristallo rimane potenzialmente per sempre a temperatura ambiente, almeno un anno in questo studio, a meno che non venga riscaldato a circa 350 gradi Fahrenheit dove viene cancellato. Il processo può essere ripetuto colpendo il materiale con un impulso luminoso e cancellato con il calore. Questo stato può essere creato solo da impulsi laser ultracorti con una certa quantità minima di energia di soglia, e non diffondendo quell'energia su lunghi impulsi.

Vlad Stoica, uno studioso post-dottorato condiviso congiuntamente tra Penn State e Argonne National Laboratory, e l'autore principale, ha usato la diffrazione dei raggi X ad alta energia per esaminare il supercristallo prima e dopo che si è formato, mostrando chiaramente la trasformazione da materia disordinata a supercristallo. I risultati sono stati riportati oggi (18 marzo) online in Materiali della natura .

"In virtù della sua breve durata dell'impulso, un laser ultraveloce imprime le eccitazioni nei materiali più velocemente del loro tempo di risposta intrinseco, "Stoica ha detto. "Mentre tali trasformazioni dinamiche erano già esplorate per decenni per stimolare l'ordinamento dei materiali, una strategia per la loro stabilizzazione dello stato stazionario sembrava fuori portata fino ad ora."

La diffrazione dei raggi X ad alta risoluzione combinata con l'imaging a livello di nanoscala è stata utilizzata dai ricercatori di Argonne per osservare l'evoluzione del riordino strutturale irreversibile.

"Per la prima volta, abbiamo osservato che una singola irradiazione di impulsi laser ultraveloci di materiale polare stratificato artificialmente può indurre una perfezione strutturale a lungo raggio quando si parte da un disordine relativo, " hanno detto. "Questa dimostrazione sperimentale ha già stimolato sviluppi teorici e ha importanti implicazioni verso la futura realizzazione di nanomateriali artificiali che non sono realizzabili con la fabbricazione tradizionale".

"La combinazione di raggi X e sorgenti ottiche ultraveloci presso l'Advanced Photon Source ci ha dato la migliore opportunità di esplorare la struttura su nanoscala del supercristallo, insieme alla capacità di capire perché il materiale potrebbe essere ripetutamente cambiato da stato ordinato a stato disordinato, " ha detto John Freeland, autore corrispondente su "Creazione ottica di un supercristallo con periodicità tridimensionale su nanoscala" e scienziato del personale dell'Argonne National Lab. "Questa informazione, insieme alla modellazione, ci ha dato una visione molto profonda della fisica dietro la creazione di questa nuova fase".

Il gruppo teorico di Long-Qing Chen alla Penn State ha eseguito calcoli al computer utilizzando un pacchetto software a campo di fase mu-PRO che simulava da vicino i risultati sperimentali.

"È piuttosto notevole che le nostre simulazioni del campo di fase siano state in grado di prevedere le immagini tridimensionali nello spazio reale di un supercristallo i cui modelli di diffrazione generalmente corrispondono ai modelli sperimentali, e identificare una serie di condizioni termodinamiche per la stabilità del supercristallo. Tali studi sperimentali e computazionali integrati sono estremamente utili e produttivi, " Ha detto Chen. Altri membri del team dell'Oak Ridge National Lab e del Lawrence Berkeley National Lab hanno contribuito al lavoro.