Per la prima volta, i ricercatori hanno potuto registrare, fotogramma per fotogramma, come un elettrone interagisce con determinate vibrazioni atomiche in un solido. La tecnica cattura un processo che comunemente causa resistenza elettrica nei materiali mentre, in altri, può causare l'esatto contrario:l'assenza di resistenza, o superconduttività.

"Il modo in cui gli elettroni interagiscono tra loro e il loro ambiente microscopico determina le proprietà di tutti i solidi, " ha detto MengXing Na, un dottorato di ricerca dell'Università della British Columbia (UBC). studente e co-autore principale dello studio, pubblicato la scorsa settimana in Scienza . "Una volta identificate le interazioni microscopiche dominanti che definiscono le proprietà di un materiale, possiamo trovare modi per "alzare" o "ridurre" l'interazione per ottenere proprietà elettroniche utili".

Il controllo di queste interazioni è importante per lo sfruttamento tecnologico dei materiali quantistici, compresi i superconduttori, che vengono utilizzati nelle macchine per risonanza magnetica, treni a levitazione magnetica ad alta velocità, e potrebbe un giorno rivoluzionare il modo in cui viene trasportata l'energia.

A piccole scale, gli atomi in tutti i solidi vibrano costantemente. Le collisioni tra un elettrone e un atomo possono essere viste come un evento di "dispersione" tra l'elettrone e la vibrazione, chiamato fonone. La dispersione può far sì che l'elettrone cambi sia la sua direzione che la sua energia. Tali interazioni elettrone-fonone sono al centro di molte fasi esotiche della materia, dove i materiali mostrano proprietà uniche.

Con il sostegno della Fondazione Gordon e Betty Moore, il team dello Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI) dell'UBC ha sviluppato una nuova sorgente laser a ultravioletti estremi per consentire una tecnica chiamata spettroscopia di fotoemissione risolta nel tempo per visualizzare i processi di diffusione degli elettroni su scale temporali ultraveloci.

"Utilizzando un impulso laser ultracorto, abbiamo eccitato i singoli elettroni lontano dal loro solito ambiente di equilibrio, " disse Na. "Utilizzando un secondo impulso laser come un efficace otturatore della fotocamera, abbiamo catturato come gli elettroni si disperdono con gli atomi circostanti su scale temporali più veloci di un trilionesimo di secondo. A causa dell'elevata sensibilità della nostra configurazione, siamo stati in grado di misurare direttamente, per la prima volta, come gli elettroni eccitati hanno interagito con una specifica vibrazione atomica, o fono".

I ricercatori hanno eseguito l'esperimento su grafite, una forma cristallina di carbonio e il composto progenitore di nanotubi di carbonio, Bucky ball e grafene. L'elettronica a base di carbonio è un settore in crescita, ei processi di diffusione che contribuiscono alla resistenza elettrica possono limitare la loro applicazione nella nanoelettronica.

L'approccio sfrutta una struttura laser unica concepita da David Jones e Andrea Damascelli, e sviluppato dal co-autore Arthur Mills, presso l'UBC-Moore Center for Ultrafast Quantum Matter. Lo studio è stato supportato anche da collaborazioni teoriche con i gruppi di Thomas Devereaux della Stanford University e Alexander Kemper della North Carolina State University.

"Grazie ai recenti progressi nelle sorgenti laser pulsate, stiamo appena iniziando a visualizzare le proprietà dinamiche dei materiali quantistici, " ha detto Jones, un professore con SBQMI di UBC e dipartimento di Fisica e Astronomia.

"Applicando queste tecniche pionieristiche, ora siamo pronti a rivelare l'elusivo mistero della superconduttività ad alta temperatura e molti altri affascinanti fenomeni della materia quantistica, " disse Damascelli, direttore scientifico di SBQMI.