I ricercatori hanno spiegato i meccanismi alla base di un fenomeno controintuitivo:rendere efficace una transizione di fase richiede meno energia se viene avviata da due impulsi di luce anziché da uno solo. L'energia necessaria per completare la transizione di fase è stata ridotta del 6% e potrebbe essere ulteriormente ottimizzata. Questi risultati hanno il potenziale per essere trasferiti ad altri materiali, offrendo nuove strade per il controllo preciso dei materiali e l'innovazione tecnologica.
Le transizioni di fase trasformano fisicamente le sostanze e ne modificano uniformemente le proprietà. Un tipico esempio è l'acqua bollente che trasforma il liquido in una fase gassosa, provocando un brusco cambiamento di volume. Esistono altre transizioni di fase di grande rilevanza per le tecnologie, come l'archiviazione dei dati su dischi compatti o Blu-ray.
Durante un processo di memorizzazione ottica dei dati, gli impulsi laser modificano la fase strutturale del materiale superficiale. I segni di registrazione sui dischi vengono creati fondendo prima il materiale con il laser e poi raffreddando rapidamente il materiale fuso al di sotto della sua temperatura di cristallizzazione; il processo cambia la riflettività delle aree fuse. Questa è nota come registrazione a cambiamento di fase.
Negli ultimi anni l’idea di utilizzare non uno, ma più impulsi laser per controllare le transizioni di fase ha catturato l’attenzione da quando ci si è resi conto che la luce poteva guidare le transizioni in modo coerente. Le transizioni di fase coerenti sono interessanti perché cambiano dolcemente il materiale tra due fasi.
Tuttavia, un controllo coerente richiede una connessione così fluida tra le strutture cristalline di due fasi ed esclude molte transizioni tecnologicamente rilevanti come le transizioni da cristallino ad amorfo nei vetri calcogenuri per l'archiviazione dei dati.
Un team di ricercatori guidati dal Dr. Allan Johnson (IMDEA Nanociencia) ha dimostrato un percorso alternativo e incoerente per il controllo dei materiali che migliora l'efficienza energetica della transizione di fase in un materiale di riferimento, l'ossido di vanadio (VO2 ). Hanno scoperto che la transizione di fase tra la fase metallica e quella isolante, quando attivata da due impulsi, invece che da un singolo impulso, può richiedere meno energia.
Il materiale studiato, l’ossido di vanadio, è un sistema prototipo per comprendere le transizioni di fase nei materiali quantistici. Si trova tra i sistemi d'onda di densità di carica (trasformati da alcuni modi a lunga lunghezza d'onda, mostrando coerenza) e transizioni di fase cristallino-amorfe (distorsioni locali non correlate guidano la transizione, mostrando disordine). Ad alte temperature l'ossido di vanadio si trova in una fase metallica (rutilo), ma al di sotto dei 60° si trova in una fase isolante (monoclina).
Tipicamente, l'eccitazione della fase isolante con un impulso di luce spinge un cristallo di biossido di vanadio verso la fase metallica. Allan Johnson e il suo team hanno utilizzato una strategia alternativa. Hanno utilizzato un impulso debole per preparare uno stato vibrante coerente, per eccitare ulteriormente il campione con un secondo impulso luminoso dopo un piccolo ritardo (nell'ordine dei picosecondi).
Con loro grande stupore, hanno scoperto che la soglia di energia, alla quale il materiale inizia a trasformarsi nella fase metallica, dipende dal ritardo tra i due impulsi e che l'energia necessaria per completare la transizione di fase è ridotta nello schema a doppio impulso, rispetto allo schema a impulso singolo.
I notevoli risultati indicano che eccitazioni multiple possono ridurre l’energia necessaria per guidare la transizione di fase nell’ossido di vanadio fino al 6%. Alla domanda sul miglioramento, Allan Johnson afferma:"Questo potrebbe non sembrare un grande risparmio energetico, ma il processo deve ancora essere ottimizzato e al momento non sappiamo quanto possiamo guadagnare. Inoltre, questo metodo può potenzialmente essere applicato a molti materiali, e questo è molto promettente."
La caratteristica più interessante della loro scoperta è che il processo potrebbe essere facilmente trasferito a dispositivi esistenti che funzionano con raggi laser pulsati ultraveloci, semplicemente dividendo l'impulso in due e ritardando il tempo tra gli impulsi.
Contrariamente alla gamma limitata di materiali che mostrano coerenza strutturale, il disordine correlato può, in linea di principio, essere indotto in qualsiasi solido. Di conseguenza, la strategia di seeding disomogenea potrebbe essere applicabile a un'ampia gamma di solidi, compresi quelli utilizzati nelle applicazioni di archiviazione di energia e dati.
Il momento eureka per il Dr. Johnson è stato rendersi conto che i dati sui raggi X, acquisiti ininterrottamente durante tre lunghi giorni e notti presso una struttura laser a raggi X in Giappone, corrispondevano ai molteplici esperimenti sugli impulsi del loro stesso laboratorio. Hanno spiegato che il meccanismo di controllo prevede la formazione di polaroni, quasiparticelle che si formano a causa dell'accoppiamento di elettroni o lacune in eccesso con vibrazioni ioniche.
In particolare, anche se altri scienziati hanno osservato fenomeni simili nei loro dati di laboratorio, i meccanismi alla base di queste osservazioni sono rimasti finora sfuggenti. Allan Johnson e i suoi collaboratori hanno chiarito i processi sottostanti, evidenziando la formazione dei polaroni e il loro ordinamento in direzioni specifiche come un fattore chiave nel ridurre la penalità energetica della fase metallica. Guidare la transizione di fase eccitando questo stato di movimento disordinato può essere ottenuto con meno energia.
Inoltre, l'abbassamento dinamico della barriera significa che gli scienziati sono in grado di ridurre selettivamente l'energia richiesta per la transizione di fase guidata dal laser senza aumentare la probabilità di commutazione termica, a differenza di altri metodi per migliorare l'efficienza.
I risultati sono stati pubblicati su Nature Physics . Le implicazioni di questa ricerca si estendono oltre la scienza fondamentale, offrendo nuove strade per un controllo preciso dei materiali e l’innovazione tecnologica. Mentre il team continua a ottimizzare il metodo ed esplorare nuovi materiali, il potenziale per progressi trasformativi nella scienza dei materiali e nel controllo ottico rimane elevato.
Ulteriori informazioni: Allan S. Johnson et al, Semina completamente ottica di una transizione di fase indotta dalla luce con disordine correlato, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02474-4
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito da IMDEA Nanociencia
