Un gruppo di ricercatori guidati dalla Cornell University nel Center for Bright Beams ha sviluppato un nuovo approccio teorico per calcolare il modo in cui gli atomi si diffondono dalle superfici. Il metodo, sviluppato dal Ph.D. di fisica della Cornell recentemente conferito. Michelle Kelley e i suoi collaboratori e pubblicato in Physical Review Letters , è il primo metodo per calcolare esplicitamente le interazioni tra un atomo di scattering con una superficie direttamente dai principi primi.
Per comprendere la superficie di un materiale, potresti usare un fascio di elettroni o raggi X per sondare la superficie, ma ciò danneggerebbe il materiale. Per anni, i ricercatori hanno sondato le superfici dei materiali cristallini utilizzando la diffusione di fasci di molecole dalla superficie. In particolare, l’elio è particolarmente adatto a questo compito perché è in grado di fornire una risoluzione su scala atomica a basse energie. Tuttavia, i modelli utilizzati dai ricercatori per comprendere le proprietà dei materiali in questo modo sono imperfetti.
Quando l'elio si disperde da una superficie, si disperde a causa della densità di elettroni liberi del materiale anziché penetrare nella superficie del materiale senza lasciare danni, pur suscitando vibrazioni utili nella superficie. Ciò rende i fasci di elio potenzialmente molto utili per comprendere le caratteristiche superficiali dei materiali a livello molecolare.
"A differenza della diffusione di elettroni o raggi X, i fasci atomici e molecolari sono sonde di superficie non distruttive che consentono indagini su campioni sempre più sensibili e delicati, spingendo i limiti scientifici dei tipi di superficie che possono essere esaminati in modo fattibile", ha affermato Kelley.
Tuttavia, affinché la diffusione degli atomi sia utile, sono fondamentali previsioni teoriche accurate delle firme dello scattering. Ad oggi, questi modelli predittivi sono stati eccessivamente semplificati o fuorvianti. Kelley e il suo gruppo hanno messo a punto un nuovo metodo di previsione della diffusione che fornisce un approccio completamente ab initio, o fin dall'inizio, per guidare la diffusione non distruttiva del fascio atomico come la diffusione dell'atomo di elio.
"Ora possiamo, per la prima volta, calcolare teoricamente, senza input o ipotesi esterne, come gli atomi di elio depositano energia in un materiale quando rimbalzano sulla sua superficie", ha affermato Tomás Arias, professore di fisica presso il College of Arts e Sciences (A&S), che ha diretto e supervisionato la ricerca.
Il gruppo di Kelley ha utilizzato le interazioni superficiali di un fascio di elio con una superficie di niobio per catturare il modo in cui la diffusione degli atomi e l'eccitazione dei fononi interagivano tra loro. Ciò ha permesso loro di creare questa nuova teoria predittiva che cambierà il modo in cui i ricercatori modellano la struttura della superficie. Sebbene la teoria sia stata sviluppata utilizzando un fascio di elio e niobio, può essere generalmente applicata ad altre combinazioni atomo-superficie.
"Il nostro nuovo approccio teorico produce risultati di elevata precisione poiché evita completamente modelli inaffidabili e la relativa messa a punto dei parametri che erano richiesti nei precedenti approcci semi-empirici", ha affermato Kelley. "Migliorare l'accuratezza delle previsioni teoriche di questo tipo aiuterà a guidare e interpretare gli esperimenti di prossima generazione che utilizzano la diffusione del raggio atomico come sonda non distruttiva delle proprietà superficiali sensibili."
"Questo risultato aiuterà a migliorare la nostra comprensione di come interagiscono gli elettroni e gli atomi in un materiale", ha affermato Arias, "facendo luce su fenomeni importanti tra cui la superconduttività guidando tali esperimenti e migliorando la loro interpretazione."
Ulteriori informazioni: Michelle M. Kelley et al, Approccio completamente ab initio allo scattering anelastico di atomi e superfici, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.016203
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
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