La superficie di un materiale ha spesso proprietà molto diverse dalle proprietà all'interno del materiale. Per esempio, un cristallo non conduttore, che in realtà non mostra magnetismo, può mostrare magnetizzazione limitata alla sua superficie a causa del modo in cui gli atomi sono disposti lì. Queste proprietà distinte alle interfacce e alle superfici dei materiali giocano spesso un ruolo chiave nello sviluppo di nuovi componenti funzionali come chip o sensori optoelettronici e sono quindi oggetto di ricerche approfondite. Un team di ricerca internazionale dell'Università di Göttingen, il Max Planck Institute for Biophysical Chemistry Göttingen e il National Research Council Canada sono ora riusciti a studiare le superfici dei cristalli trasparenti usando una potente irradiazione laser. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

I ricercatori descrivono il loro metodo, che si basa esclusivamente sulla luce, per determinare le proprietà elettriche e magnetiche sulle superfici. Questo nuovo metodo potrebbe svolgere un ruolo importante nell'indagine di trasparenza, materiali non conduttivi, poiché i metodi consolidati che utilizzano gli elettroni spesso presentano limitazioni sperimentali a causa della bassa conduttività, tra le altre difficoltà. L'uso della luce aiuta ad aggirare queste limitazioni:quando i raggi luminosi colpiscono una superficie materiale, ad esempio una lastra di vetro, si riflettono sull'interfaccia, rifratta e assorbita dal materiale. Questi effetti, che si può osservare nella vita di tutti i giorni, sono il risultato dell'interazione del debole campo luminoso con gli atomi e gli elettroni del materiale irradiato. Nel caso di campi di luce più forti, che si ottengono con i laser, si verificano ulteriori effetti, quale può, Per esempio, generano frequenze luminose più elevate, note come radiazione armonica elevata. Questi effetti dipendono spesso dalla direzione di oscillazione del campo luminoso rispetto alla disposizione atomica nel materiale.

"Sfruttiamo questa dipendenza durante la generazione di radiazioni armoniche elevate per ottenere informazioni sulle proprietà in corrispondenza e in prossimità della superficie dei materiali trasparenti, " afferma il primo autore e dottorando Tobias Heinrich della Facoltà di Fisica dell'Università di Göttingen. "Il campo luminoso che utilizziamo è composto da due impulsi laser che ruotano in direzioni opposte a due frequenze diverse, e questo si traduce in un campo simmetrico a forma di quadrifoglio." Questi campi di luce su misura possono essere adattati alla disposizione atomica del materiale per controllare la generazione delle armoniche alte.

"Mostriamo che questo controllo può essere utilizzato per studiare la magnetizzazione sulla superficie dell'ossido di magnesio, " spiega il dottor Murat Sivis, il capo dello studio. A seconda della direzione di rotazione del campo luminoso, chiamata anche chiralità, la luce ultravioletta generata viene assorbita in gradi diversi all'interfaccia. "Per vari materiali che in realtà non mostrano magnetizzazione o conduttività elettrica, queste proprietà in superficie sono state previste in teoria, " Disse Sivis. "Nel nostro studio, mostriamo che è ora possibile indagare tali fenomeni utilizzando solo metodi ottici, probabilmente anche su scale temporali molto brevi." I ricercatori sperano anche di ottenere nuove informazioni sulle proprietà elettroniche di altri materiali chirali, come lo studio mostra usando l'esempio della struttura cristallina elicoidale del quarzo. La sensibilità ai fenomeni chirali sulle superfici potrebbe potenzialmente aprire nuove opportunità di ricerca su materiali funzionali innovativi.