Scienziati teorici e sperimentali si sono uniti per osservare la vibrazione dei solidi.

Gli atomi o le molecole costituiscono tutto ciò che ci circonda. In molti solidi, come sale comune o ferro, sono ordinatamente disposti come strutture ripetute, chiamati "reticoli di cristallo". Il comportamento di un solido a qualsiasi fattore esterno, come forza applicata, è determinato dal comportamento collettivo del reticolo, non singoli atomi o molecole. Piccole vibrazioni dei costituenti determinano la risposta collettiva del reticolo. Al posto dei singoli costituenti, è questa risposta collettiva che determina vari fenomeni naturali, compreso il modo in cui il calore si trasporta attraverso i solidi e come i materiali cambiano stato tra i solidi, liquidi, e gas.

In un nuovo studio, i ricercatori dell'Istituto indiano di tecnologia di Bombay (IIT Bombay) hanno ideato un metodo teorico per prevedere le variazioni della struttura reticolare in risposta a disturbi esterni. Questo studio, pubblicato sulla rivista npj Materiali di calcolo , è stato parzialmente finanziato dall'IIT Bombay-Industrial Research and Consultancy Centre, il Ministero delle Risorse Umane e dello Sviluppo (ora Ministero dell'Istruzione), Dipartimento di Energia Atomica, e il Dipartimento di Scienze e Tecnologie, Governo dell'India.

Gli scienziati sondano le variazioni nella struttura reticolare, o la sua dinamica, creando prima un disturbo esterno sulla struttura e poi osservando come il disturbo cambia nel tempo. Il disturbo è spesso indotto da brevi lampi di luce laser. "Se disturbi un solido con lampi di laser, i suoi atomi iniziano a vibrare, "dice il professor Gopal Dixit, uno degli autori dello studio.

La luce a raggi X o gli elettroni possono rivelare le informazioni sulla posizione degli atomi e delle molecole nel reticolo. Gli scienziati bombardano il solido con più raggi X o impulsi di elettroni in istanze separate da pochi femtosecondi, ovvero, mille di un trilionesimo di secondo. Così, possono ottenere immagini del solido in queste istanze, che cuciono insieme per filmare gli atomi vibranti. Tali esperimenti sono difficili da progettare, coinvolgendo strumenti sofisticati che sono più costosi dei normali microscopi da laboratorio e disponibili in pochi, strutture rare in tutto il mondo. Solo nell'ultimo decennio gli scienziati sono stati in grado di condurre esperimenti così avanzati.

D'altra parte, studiare la disposizione molecolare dei solidi indisturbati è più facile. Per più di cinque decenni, gli scienziati hanno bombardato solidi come il silicio con raggi X o fasci di elettroni e hanno osservato come questo raggio interagisce con il suo reticolo. "La risposta del solido alla trave lascia impronte specifiche sulla trave in uscita, rivelando le vibrazioni atomiche nel reticolo, "dice il professor Dipanshu Bansal, un altro autore dello studio. Una tecnica matematica innovativa inventata per la prima volta da Joseph Fourier, chiamato "analisi di Fourier, " li aiuta nello studio delle piccole strutture del reticolo sia nello spazio che nel tempo.

Nello studio attuale, i ricercatori hanno effettuato calcoli matematici e hanno dimostrato che si potrebbe usare una tecnica simile per studiare i solidi soggetti a un temporaneo, disturbo esterno. Hanno usato una versione estesa del metodo di Fourier insieme alle leggi della fisica quantistica. Inoltre, hanno usato l'idea fondamentale che il tempo scorre in una direzione. Questi li hanno portati a calcolare una quantità matematica che determina come la struttura reticolare reagisce al disturbo esterno.

Usando questa quantità matematica, chiamata anche "funzione di risposta, " i ricercatori hanno predetto come i solidi si sarebbero comportati nel tempo, fino a pochi femtosecondi, e spazio, fino a frazioni di nanometro. Quindi, hanno calcolato la funzione di risposta dalle immagini disponibili da esperimenti condotti nell'ultimo decennio con i laser. Questa quantità, i ricercatori del presente studio hanno dimostrato, corrisponde esattamente alla funzione di risposta teorica. Il loro calcolo mostra per la prima volta che non è necessario eseguire i sofisticati esperimenti per studiare la dinamica dei solidi.

Ci sono altri vantaggi. "Il nostro metodo proposto non richiede raggi X separati o impulsi di elettroni separati da frazioni di picosecondi per studiare la dinamica. Invece, basta un solo impulso, " afferma il professor Dixit. I calcoli richiedono solo pochi giorni sui personal computer, mentre gli esperimenti possono richiedere giorni o mesi.

Lo studio ha riunito anche teorici e sperimentali. "Il nostro lavoro è un vero successo di sforzi collaborativi, "dice il professor Bansal, uno scienziato sperimentale. "Avevamo bisogno di informazioni sulle esatte condizioni sperimentali che non erano spiegate dalla teoria, e fisici teorici all'altezza del compito, " aggiunge il professor Dixit, chi è un teorico. "Sebbene ci siano difficoltà nel condurre esperimenti, i calcoli teorici non hanno limiti, " ammette il professor Bansal, lo sperimentatore.

I ricercatori affermano che il loro metodo è applicabile a solidi in ambienti diversi come in un campo magnetico, sotto pressione esterna, o ad alta temperatura. "Questo non è possibile nemmeno con gli esperimenti microscopici più sofisticati, " afferma il professor Bansal. Sebbene non sia facile stimare la funzione di risposta dai dati limitati disponibili negli esperimenti, i rapidi progressi tecnologici rendono più facile condurre le indagini. I ricercatori stanno progettando di mettere alla prova la loro teoria anche per questi esperimenti.