Uno schema della configurazione sperimentale dell'istantanea a raggi X. Credito:Haidan Wen/Argonne National Laboratory
Chiunque abbia visto il vapore fuoriuscire da un bollitore bollente o visto cristalli di ghiaccio formarsi su una finestra bagnata in inverno, ha osservato ciò che gli scienziati chiamano una transizione di fase.
Le transizioni di fase, come quelle tra solidi, liquidi e gas, si verificano in tutti i tipi di sostanze diverse e possono verificarsi rapidamente o lentamente. Gli scienziati intendono utilizzare le transizioni di fase per essere in grado di controllare le proprietà elettroniche, strutturali o magnetiche di diversi materiali mentre subiscono questi cambiamenti, ad esempio per l'uso in nuovi tipi di memorie per computer.
Nel nuovo studio, i ricercatori sono stati in grado per la prima volta di osservare una transizione di fase strutturale nei minimi dettagli su una scala temporale molto veloce. Gli scienziati hanno realizzato "fotografie" a raggi X con una distanza inferiore a un decimo di 1 miliardesimo di secondo l'una dall'altra attraverso una tecnica chiamata microscopia a nanodiffrazione. "Un video tipico potrebbe essere riprodotto a 30 fotogrammi al secondo, quindi si tratta approssimativamente di un video al rallentatore in grado di risolvere dinamiche estremamente veloci", ha affermato Haidan Wen, fisico presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).
La capacità di assistere all'evoluzione del comportamento dei materiali con tale precisione nel tempo e nello spazio ha rivelato comportamenti insoliti in alcuni materiali che subiscono un cambiamento di fase, inclusi molti materiali magnetici.
"Siamo in grado di ingrandire un campione in termini di tempo e spazio in modi che non siamo mai stati in grado di fare prima", ha affermato Youngjun Ahn, il primo autore dello studio. Ahn è un ex studente laureato stagista presso l'Argonne dell'Università del Wisconsin-Madison. Per questo lavoro ha collaborato a stretto contatto con Wen. "Questo metodo ci offre una visione precisa dei cambiamenti strutturali nel nostro campione che sono difficili da vedere con qualsiasi altro metodo", ha affermato Ahn.
Lo studio ha utilizzato la nanosonda a raggi X dura gestita dal Center for Nanoscale Materials (CNM) presso l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne. L'APS e il CNM sono strutture per gli utenti del DOE Office of Science.
Mappe di nanodiffrazione di raggi X della transizione di fase ferromagnetica. Credito:Haidan Wen/Argonne National Laboratory
Osservando le transizioni di fase in un composto ferro-rodio, i ricercatori hanno trovato un modo per osservare la struttura del composto cambiare tra due configurazioni magnetiche. Il cambiamento provoca un'espansione della rete atomica molto piccola, ma sufficiente da avere conseguenze significative per il magnetismo.
Gli scienziati possono utilizzare le fasi magnetiche per creare un nuovo tipo di archiviazione magnetica che promette di essere più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico rispetto all'archiviazione dati convenzionale. In tutti i materiali magnetici, la manipolazione delle transizioni di fase attorno alla temperatura critica alla quale si verificano può fornire la chiave per poter capovolgere un bit di memorizzazione delle informazioni tra un "1" e uno "0".
Per creare memorie magnetiche compatte, gli scienziati devono avere un modo per manipolarle con precisione. Un modo per farlo è con un cambiamento locale della temperatura.
Riscaldando un bit magnetico, gli scienziati potrebbero potenzialmente avere un modo per indurre la riconfigurazione che usano per codificare le informazioni con un consumo di energia inferiore, nota come registrazione magnetica assistita dal calore. "Una delle cose molto interessanti di questo particolare materiale, ferro-rodio, è che ha una transizione di fase a una temperatura che potrebbe essere utilizzata per questo tipo di applicazioni", ha affermato Paul Evans, professore dell'Università del Wisconsin-Madison. "Ma per eseguire i tipi di manipolazioni che ci interessano, abbiamo bisogno di una 'fotocamera' migliore. Ecco perché è importante utilizzare questa tecnica di nuova concezione per studiarla."
"L'aspetto chiave del nostro esperimento è che siamo in grado di accedere a regioni estremamente piccole dello spazio o brevi momenti nel tempo con un'elevata precisione che ci consente di scoprire dinamiche su nanoscala che non sono state riconosciute prima", ha aggiunto Wen, che ha ideato il lavoro .
L'imminente aggiornamento all'APS avrà implicazioni significative per ulteriori esperimenti che visualizzeranno questo tipo di transizioni di fase. "Dopo l'aggiornamento dell'APS", ha affermato Martin Holt, scienziato dei raggi X di Argonne, "ci aspettiamo di ottenere una risoluzione spaziale più elevata, in particolare, sfruttando la maggiore coerenza del raggio di raggi X. Il nostro sviluppo di una risoluzione temporale ultraveloce all'interno di quel tipo di La microscopia a raggi X è ciò che ci aiuta a capire le cause dei tipi di effetti che stiamo osservando. Questa è una capacità unica che l'APS aggiornato può offrire".
Un documento basato sullo studio, "L'imaging della nanodiffrazione dei raggi X rivela dinamiche nanoscopiche distinte di una transizione di fase ultraveloce", è apparso in Proceedings of the National Academy of Sciences . + Esplora ulteriormente
