La luce laser può cambiare radicalmente le proprietà dei materiali solidi, rendendoli superconduttori o magnetici entro milionesimi di miliardesimo di secondo. La luce intensa provoca cambiamenti fondamentali e immediati in un solido "scuotendo" la sua struttura reticolare atomica e spostando gli elettroni. Ma cosa sta succedendo esattamente a quel livello elementare? Come si muovono effettivamente quegli atomi e quegli elettroni?

Ora, un team teorico del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter di Amburgo ha trovato un nuovo modo per illuminare quei moti atomici. Scrivendo su PNAS, i ricercatori descrivono come un impulso laser genera emissioni di luce a frequenze più elevate dal materiale, le cosiddette armoniche superiori. Questa luce ad alta energia, tuttavia, non rimane la stessa ma cambia ad ogni movimento del reticolo. Quando le armoniche alte cambiano di intensità, forniscono "istantanee" dei movimenti degli atomi e degli elettroni in ogni momento esatto.

Il team ha studiato un monostrato di nitruro di boro esagonale (hBN) spesso un atomo, il cui reticolo può essere eccitato per vibrare su scale temporali di decine di femtosecondi. Un primo impulso laser "a pompa" colpisce il materiale, facendo muovere gli atomi all'unisono. Successivamente, un secondo impulso laser a infrarossi eccita ulteriormente gli elettroni, in modo che causino l'emissione di luce a nuove frequenze, le armoniche elevate. Questi contengono le informazioni di base sulle vibrazioni del reticolo (note anche come fononi). Analizzandoli, gli scienziati ottengono nuove informazioni dettagliate su quei movimenti atomici.

Pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , i risultati del team rappresentano un importante passo avanti nella comprensione dei cambiamenti fondamentali in un materiale solido mentre viene irradiato da un laser intenso. È anche un metodo altamente efficiente perché fino ad ora i ricercatori avevano bisogno di sorgenti luminose molto più avanzate per osservare quei movimenti elementari.

Inoltre, il team ha dimostrato che, una volta che gli atomi iniziano a vibrare, l'interazione tra il materiale e l'impulso laser iniziale cambia con la fase del laser stesso. Ciò significa che gli scienziati possono individuare esattamente quale movimento nel reticolo è stato innescato da quale fase del ciclo ottico del laser, come se stessero impostando un cronometro su quel particolare momento nel tempo. In altre parole:il lavoro del team ha prodotto una tecnica spettroscopica altamente avanzata con un'estrema risoluzione temporale. All'interno di questo approccio, i movimenti del reticolo possono essere tracciati fino a un singolo femtosecondo, ma senza la necessità di raggi X ad alta energia o impulsi ad attosecondi, che sono molto più difficili da impiegare.

"L'impatto principale di questo lavoro è che stiamo formando un punto di partenza per capire in che modo i fononi svolgono un ruolo nelle interazioni non lineari della materia leggera", afferma l'autore principale Ofer Neufeld del Dipartimento di teoria dell'MPSD. "Questo approccio ci consente di sondare la dinamica strutturale dei femtosecondi nei solidi, comprese le transizioni di fase, le fasi vestite della materia e anche l'accoppiamento tra elettroni e fononi". + Esplora ulteriormente

Elettroni ad alta energia sincronizzati con impulsi laser ultraveloci per sondare come gli stati vibrazionali degli atomi cambiano nel tempo