Illustrazione della configurazione e dell'interazione di un breve impulso laser (linea rossa oscillante) con il reticolo di atomi di titanio (centro, metà inferiore della figura). Le strutture rosse e blu rappresentano la ridistribuzione della densità elettronica in prossimità di un atomo di titanio. Un primo piano di questo cambiamento di densità è mostrato in basso a destra. Credito:ETH Zurigo/D-PHYS Ultrafast Laser Physics group
I ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'ETH di Zurigo hanno misurato come gli elettroni nei cosiddetti metalli di transizione vengono ridistribuiti all'interno di una frazione di un ciclo di oscillazione ottica. Hanno osservato che gli elettroni si concentravano attorno agli atomi di metallo in meno di un femtosecondo. Questo raggruppamento potrebbe influenzare importanti proprietà macroscopiche di questi composti, come la conduttività elettrica, magnetizzazione o caratteristiche ottiche. Il lavoro suggerisce quindi un percorso per controllare queste proprietà su scale temporali estremamente rapide.
La distribuzione degli elettroni nei metalli di transizione, che rappresentano gran parte della tavola periodica degli elementi chimici, è responsabile di molte delle loro interessanti proprietà utilizzate nelle applicazioni. Le proprietà magnetiche di alcuni dei membri di questo gruppo di materiali sono, Per esempio, sfruttato per l'archiviazione dei dati, mentre altri mostrano un'eccellente conduttività elettrica. I metalli di transizione hanno anche un ruolo decisivo per nuovi materiali con un comportamento più esotico che risulta da forti interazioni tra gli elettroni. Tali materiali sono candidati promettenti per un'ampia gamma di applicazioni future.
Nel loro esperimento, i cui risultati riportano in un articolo pubblicato oggi in Fisica della natura , Mikhail Volkov e colleghi del gruppo Ultrafast Laser Physics della prof.ssa Ursula Keller hanno esposto a brevi impulsi laser sottili lamine dei metalli di transizione titanio e zirconio. Hanno osservato la ridistribuzione degli elettroni registrando i cambiamenti risultanti nelle proprietà ottiche dei metalli nel dominio dell'ultravioletto estremo (XUV). Per poter seguire i cambiamenti indotti con sufficiente risoluzione temporale, Impulsi XUV con una durata di poche centinaia di attosecondi (10 -18 s) sono stati impiegati nella misurazione. Confrontando i risultati sperimentali con modelli teorici, sviluppato dal gruppo del Prof. Angel Rubio presso il Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter di Amburgo, i ricercatori hanno stabilito che il cambiamento si svolge in meno di un femtosecondo (10 -15 s) è dovuto ad una modifica della localizzazione degli elettroni in prossimità degli atomi di metallo. La teoria prevede anche che nei metalli di transizione con gusci di elettroni esterni più fortemente riempiti un movimento opposto, cioè, c'è da aspettarsi una delocalizzazione degli elettroni.
Controllo ultrarapido delle proprietà del materiale
La distribuzione degli elettroni definisce i campi elettrici microscopici all'interno di un materiale, che non solo tengono insieme un solido, ma ne determinano anche in larga misura le proprietà macroscopiche. Modificando la distribuzione degli elettroni, si possono così orientare anche le caratteristiche di un materiale. L'esperimento di Volkov et al. dimostra che ciò è possibile su scale temporali notevolmente più brevi del ciclo di oscillazione della luce visibile (circa due femtosecondi). Ancora più importante è la constatazione che le scale temporali sono molto più brevi del cosiddetto tempo di termalizzazione, che è il tempo entro il quale gli elettroni laverebbero gli effetti di un controllo esterno della distribuzione degli elettroni attraverso collisioni tra loro e con il reticolo cristallino.
Sorpresa iniziale
Inizialmente, è stata una sorpresa che l'impulso laser avrebbe portato a una maggiore localizzazione degli elettroni nel titanio e nello zirconio. Una tendenza generale in natura è che se agli elettroni legati viene fornita più energia, diventeranno meno localizzati. L'analisi teorica, che supporta le osservazioni sperimentali, hanno mostrato che l'aumentata localizzazione della densità elettronica è un effetto netto risultante dal riempimento più forte dei caratteristici orbitali d parzialmente riempiti degli atomi di metallo di transizione. Per i metalli di transizione che hanno orbitali d già riempiti per più della metà (cioè, elementi più a destra nella tavola periodica), l'effetto netto è opposto e corrisponde ad una delocalizzazione della densità elettronica.
Verso componenti elettronici più veloci
Mentre il risultato ora riportato è di natura fondamentale, gli esperimenti dimostrano la possibilità di una modifica molto rapida delle proprietà dei materiali. Tali modulazioni sono utilizzate in elettronica e optoelettronica per l'elaborazione di segnali elettronici o la trasmissione di dati. Mentre i componenti attuali elaborano flussi di segnale con frequenze nell'ordine dei gigahertz (10 9 Hz) gamma, i risultati di Volkov e collaboratori indicano la possibilità di elaborazione del segnale a frequenze petahertz (10 15 Hz). Questi risultati piuttosto fondamentali potrebbero quindi informare lo sviluppo delle prossime generazioni di componenti sempre più veloci, e attraverso questo indirettamente si fanno strada nella nostra vita quotidiana.
