Un team internazionale di ricercatori ha presentato nuove idee per la spettroscopia multidimensionale ultraveloce di solidi fortemente correlati. Il loro lavoro è pubblicato su Nature Photonics.
Il team ha coinvolto ricercatori dell'XFEL europeo con colleghi del Max Born Institute di Berlino, delle Università di Berlino e Amburgo, dell'Università di Tokyo, dell'Istituto nazionale giapponese di scienza e tecnologia industriale avanzata (AIST), dell'Università olandese Radboud, dell'Imperial College Centro per l'imaging ultraveloce di Londra e Amburgo.
"I solidi fortemente correlati sono sistemi quantistici complessi e affascinanti in cui spesso emergono nuovi stati elettronici, soprattutto quando interagiscono con la luce", afferma Alexander Lichtenstein dell'Università di Amburgo e dell'Eu-XFEL.
Materiali fortemente correlati, che includono superconduttori ad alta temperatura, alcuni tipi di materiali magnetici e materiali quantistici contorti tra gli altri, sfidano entrambi la nostra comprensione fondamentale del microcosmo e offrono opportunità per molte interessanti applicazioni che vanno dalla scienza dei materiali all'elaborazione delle informazioni alla medicina:per ad esempio, i superconduttori vengono utilizzati dagli scanner MRI.
Questo è il motivo per cui è molto importante comprendere la gerarchia e l'interazione dei diversi stati elettronici che si presentano in materiali fortemente correlati. Allo stesso tempo, mette alla prova i nostri strumenti sperimentali e teorici, perché le trasformazioni tra questi stati sono spesso associate a transizioni di fase.
Le transizioni di fase sono trasformazioni che non si sviluppano in modo fluido da uno stadio a quello successivo ma possono verificarsi in modo improvviso e rapido, in particolare quando il materiale interagisce con la luce.
Quali sono i percorsi del flusso di carica e di energia durante una tale transizione? Quanto velocemente si verifica? È possibile utilizzare la luce per controllarla e per scolpire le correlazioni elettroniche? Può la luce portare il materiale in uno stato in cui il materiale non si troverebbe in circostanze normali?
Questi sono i tipi di domande che possono essere affrontate con dispositivi potenti e sensibili come i laser a raggi X come l'XFEL europeo a Schenefeld vicino ad Amburgo, e con i moderni strumenti ottici della scienza degli attosecondi (1 attosecondo =10 -18 secondo. In un attosecondo la luce viaggia meno di un milionesimo di millimetro).
Nel loro lavoro, il team internazionale presenta ora un approccio completamente nuovo che rende possibile monitorare e decifrare il movimento ultraveloce della carica innescato da brevi impulsi laser che illuminano un sistema fortemente correlato. Hanno sviluppato una variante della spettroscopia multidimensionale ultraveloce, sfruttando il controllo degli attosecondi su come più colori della luce si sommano per formare un impulso laser ultracorto.
La risoluzione temporale del sottociclo offerta da questa spettroscopia mostra la complessa interazione tra le diverse configurazioni elettroniche e dimostra che una transizione di fase da uno stato metallico a uno stato isolante può avvenire in meno di un femtosecondo, ovvero in meno di un quadrilionesimo di secondo.
"I nostri risultati aprono la possibilità di studiare e influenzare in modo specifico i processi ultraveloci in materiali fortemente correlati che va oltre i metodi precedenti", afferma Olga Smirnova dell'istituto Max Born e della TU di Berlino, vincitrice del premio Mildred Dresselhaus del Centro per l'imaging ultraveloce di Amburgo . "Abbiamo così sviluppato uno strumento chiave per accedere a nuovi fenomeni ultraveloci nei solidi correlati."
Ulteriori informazioni: Spettroscopia multidimensionale sottociclo di materiali fortemente correlati, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01371-1
Informazioni sul giornale: Fotonica della natura
Fornito dal Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI)
