Ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI e del Brookhaven National Laboratory (BNL), lavorare in un team internazionale, hanno sviluppato un nuovo metodo per studi a raggi X complessi che aiuterà a comprendere meglio i cosiddetti metalli correlati. Questi materiali potrebbero rivelarsi utili per applicazioni pratiche in aree come la superconduttività, elaborazione dati, e computer quantistici. Oggi i ricercatori presentano il loro lavoro sulla rivista Revisione fisica X .

In sostanze come silicio o alluminio, la repulsione reciproca degli elettroni influisce poco sulle proprietà del materiale. Non così con i cosiddetti materiali correlati, in cui gli elettroni interagiscono fortemente tra loro. Il movimento di un elettrone in un materiale correlato porta ad una reazione complessa e coordinata degli altri elettroni. Sono proprio questi processi accoppiati che rendono questi materiali correlati così promettenti per applicazioni pratiche, e allo stesso tempo così complicato da capire.

I materiali fortemente correlati sono candidati per nuovi superconduttori ad alta temperatura, che possono condurre elettricità senza perdite e che sono usati in medicina, Per esempio, nella risonanza magnetica. Potrebbero anche essere usati per costruire componenti elettronici, o anche computer quantistici, con cui i dati possono essere elaborati e archiviati in modo più efficiente.

"Materiali fortemente correlati esibiscono una ricchezza di fenomeni affascinanti, "dice Thorsten Schmitt, capo del gruppo Spettroscopia dei nuovi materiali al PSI:"Tuttavia, rimane una grande sfida per comprendere e sfruttare il comportamento complesso che sta alla base di questi fenomeni." Schmitt e il suo gruppo di ricerca affrontano questo compito con l'aiuto di un metodo per il quale utilizzano l'intensa ed estremamente precisa radiazione di raggi X della Swiss Light Fonte SLS al PSI Questa tecnica moderna, che è stato ulteriormente sviluppato al PSI negli ultimi anni, si chiama diffusione anelastica risonante di raggi X, o RIXS in breve.

I raggi X eccitano gli elettroni

Con RIXS, i raggi X molli vengono dispersi da un campione. Il fascio di raggi X incidente è sintonizzato in modo tale da elevare gli elettroni da un orbitale elettronico inferiore a un orbitale superiore, il che significa che vengono eccitate risonanze speciali. Questo getta il sistema fuori equilibrio. Vari processi elettrodinamici lo riportano allo stato fondamentale. Parte dell'energia in eccesso viene nuovamente emessa sotto forma di raggi X. Lo spettro di questa radiazione anelasticamente diffusa fornisce informazioni sui processi sottostanti e quindi sulla struttura elettronica del materiale.

"Negli ultimi anni, RIXS è diventato un potente strumento sperimentale per decifrare la complessità dei materiali correlati, " spiega Schmitt. Quando viene utilizzato per indagare in particolare sugli isolanti correlati, funziona molto bene. Fino ad ora, però, il metodo non ha avuto successo nel sondare metalli correlati. Il suo fallimento era dovuto alla difficoltà di interpretare gli spettri estremamente complicati causati da molti diversi processi elettrodinamici durante lo scattering. "In questo contesto è essenziale la collaborazione con i teorici, " spiega Schmitt, "perché possono simulare i processi osservati nell'esperimento".

Calcoli di metalli correlati

Questa è una specialità del fisico teorico Keith Gilmore, precedentemente del Brookhaven National Laboratory (BNL) negli Stati Uniti e ora presso l'Università Humboldt di Berlino. "Il calcolo dei risultati RIXS per i metalli correlati è difficile perché devi gestire diversi orbitali elettronici, larghe larghezze di banda, e un gran numero di interazioni elettroniche allo stesso tempo, " afferma Gilmore. Gli isolanti correlati sono più facili da maneggiare perché sono coinvolti meno orbitali; questo consente calcoli del modello che includono esplicitamente tutti gli elettroni. Per essere precisi, Gilmore spiega:"Nel nostro nuovo metodo di descrizione dei processi RIXS, ora stiamo combinando i contributi che provengono dall'eccitazione di un elettrone con la reazione coordinata di tutti gli altri elettroni".

Per testare il calcolo, i ricercatori del PSI hanno sperimentato una sostanza che lo scienziato della BNL Jonathan Pelliciari aveva approfondito nell'ambito della sua tesi di dottorato al PSI:bario-ferro-arseniuro. Se aggiungi una quantità specifica di atomi di potassio al materiale, diventa superconduttore. Appartiene a una classe di superconduttori non convenzionali a base di ferro ad alta temperatura che dovrebbero fornire una migliore comprensione del fenomeno. "Fino ad ora, l'interpretazione delle misurazioni RIXS su materiali così complessi è stata guidata principalmente dall'intuizione. Ora questi calcoli RIXS forniscono a noi sperimentatori un quadro che consente un'interpretazione più pratica dei risultati. Le nostre misurazioni RIXS al PSI su bario-ferro-arseniuro sono in ottimo accordo con i profili calcolati, "dice Pelliciari.

Combinazione di esperimento e teoria

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno studiato la fisica intorno all'atomo di ferro. "Un vantaggio di RIXS è che puoi concentrarti su un componente specifico ed esaminarlo in dettaglio per materiali composti da più elementi, " dice Schmitt. Il raggio di raggi X ben sintonizzato fa sì che un elettrone interno nell'atomo di ferro venga elevato dallo stato fondamentale nel livello centrale alla banda di valenza di energia più alta, che è solo parzialmente occupato. Questa eccitazione iniziale dell'elettrone del nucleo può causare ulteriori eccitazioni secondarie e innescare molti complicati processi di decadimento che alla fine si manifestano nelle strutture spettrali dei satelliti. (Vedi grafico.)

Poiché i contributi delle molte reazioni sono talvolta piccoli e vicini tra loro, è difficile scoprire quali processi abbiano effettivamente avuto luogo nell'esperimento. Qui la combinazione di esperimento e teoria aiuta. "Se non hai un supporto teorico per esperimenti difficili, non puoi capire i processi, questo è, la fisica, in dettaglio, Schmitt dice. Lo stesso vale anche per la teoria:«Spesso non sai quali teorie sono realistiche finché non le puoi confrontare con un esperimento. Il progresso nella comprensione arriva quando l'esperimento e la teoria vengono messi insieme. Questo metodo descrittivo ha quindi il potenziale per diventare un riferimento per l'interpretazione di esperimenti spettroscopici su metalli correlati".

Il team internazionale ha pubblicato il suo lavoro sulla rivista Revisione fisica X .