I fononi acustici possono essere visualizzati sulla superficie come regioni di contrazione (blu) ed espansione (rosso). Sono inoltre mostrate immagini bidimensionali che confrontano i risultati sperimentali con la teoria e la simulazione della dinamica molecolare. La barra della scala è di 100 nanometri. Credito:Jesse Clark/UCL
Un film da miliardi di fotogrammi al secondo ha catturato per la prima volta le vibrazioni dei nanocristalli d'oro con dettagli sorprendenti.
La pellicola, che è stato realizzato utilizzando l'imaging 3D sperimentato presso il London Centre for Nanotechnology (LCN) presso l'UCL, rivela importanti informazioni sulla composizione dell'oro. I risultati sono pubblicati sulla rivista Scienza .
Jesse Clark, della LCN e autore principale del documento ha dichiarato:"Proprio come la qualità del suono di uno strumento musicale può fornire grandi dettagli sulla sua costruzione, così anche le vibrazioni osservate nei materiali possono fornire importanti informazioni sulla loro composizione e funzioni."
"È assolutamente incredibile che siamo in grado di catturare istantanee di questi movimenti su scala nanometrica e creare filmati di questi processi. Queste informazioni sono fondamentali per comprendere la risposta dei materiali dopo la perturbazione".
Gli scienziati hanno scoperto che le vibrazioni erano insolite perché iniziano esattamente nello stesso momento ovunque all'interno del cristallo. In precedenza ci si aspettava che gli effetti dell'eccitazione viaggiassero attraverso il nanocristallo d'oro alla velocità del suono, ma si è scoperto che erano molto più veloci, cioè., supersonico.
Le nuove immagini supportano modelli teorici per l'interazione della luce con i metalli, dove l'energia viene prima trasferita agli elettroni, che sono in grado di cortocircuitare il moto molto più lento degli atomi.
Il team ha effettuato gli esperimenti presso lo SLAC National Accelerator Laboratory utilizzando un rivoluzionario laser a raggi X chiamato "Linac Coherent Light Source". Gli impulsi dei raggi X sono estremamente brevi (misurati in femtosecondi, o quadrilionesimi di secondo), il che significa che sono in grado di congelare tutto il movimento degli atomi in qualsiasi campione, lasciando solo gli elettroni ancora in movimento.
Però, gli impulsi dei raggi X sono abbastanza intensi da consentire al team di scattare singole istantanee delle vibrazioni dei nanocristalli d'oro che stavano esaminando. La vibrazione è stata avviata con un breve impulso di luce infrarossa.
Le vibrazioni sono state riprese poco tempo dopo in 3D utilizzando i metodi di imaging di diffrazione coerente introdotti in LCN dal gruppo Robinson. I film in 3D rivelano con dettagli squisiti le distorsioni che si verificano all'interno del nanocristallo, con le vibrazioni più veloci che si ripetono ogni 90 picosecondi.
Professore Robinson, anche dalla LCN e dal capogruppo, ha dichiarato:"Questo lavoro rappresenta un impressionante esempio di lavoro di squadra di circa un centinaio di persone in SLAC. L'acceleratore lineare SLAC è stato costruito nel 1957 in risposta diretta alla notizia di Sputnik.
"Dopo 50 anni di sensazionale fisica delle alte energie, quella macchina è stata riadattata come un laser con l'aggiunta di una serie di magneti lunga 100 metri. Questa macchina delle dimensioni di 3 km produce un raggio che viene focalizzato su un cristallo più piccolo di un micron in un impulso così breve che tutto il movimento dei suoi atomi è immobile".
