I ricercatori guidati da Cornell hanno scoperto un fenomeno insolito in un materiale isolante metallico, fornendo preziose informazioni per la progettazione di materiali con nuove proprietà attraverso un passaggio più rapido tra gli stati della materia.
Gli isolanti Mott sono una famiglia di materiali con proprietà elettroniche uniche, compresi quelli che possono essere manipolati da stimoli come la luce. L'origine delle proprietà uniche non è completamente compresa, in parte a causa dell'impegnativo compito di immaginare le nanostrutture del materiale nello spazio reale e catturare come queste strutture subiscono cambiamenti di fase in appena un trilionesimo di secondo.
Un nuovo studio pubblicato su Nature Physics ha svelato la fisica dell'isolante di Mott, Ca2 RuO4 , poiché è stato stimolato con un laser. Con un dettaglio senza precedenti, i ricercatori hanno osservato le interazioni tra gli elettroni del materiale e la struttura reticolare sottostante, utilizzando impulsi di raggi X ultraveloci per catturare "istantanee" dei cambiamenti strutturali nel Ca2 RuO4 entro picosecondi critici dopo l'eccitazione con il laser.
I risultati sono stati inaspettati:i riarrangiamenti elettronici sono generalmente più veloci di quelli reticolari, ma nell'esperimento è stato osservato il contrario.
"In genere, gli elettroni veloci rispondono agli stimoli e trascinano con sé gli atomi più lenti", ha affermato l'autrice principale Anita Verma, studiosa post-dottorato in scienza e ingegneria dei materiali. "Ciò che abbiamo scoperto in questo lavoro è insolito:gli atomi hanno risposto più velocemente degli elettroni."
Anche se i ricercatori non sono sicuri del motivo per cui il reticolo atomico possa muoversi così rapidamente, un'ipotesi è che la nanostruttura del materiale gli conferisca punti di nucleazione che aiutano a riorganizzare il reticolo, in modo simile a come il ghiaccio superraffreddato inizia a formarsi più rapidamente attorno a un'impurità nell'acqua.
La ricerca si basa su un articolo del 2023 in cui Andrej Singer, autore senior e assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali, e altri scienziati hanno utilizzato raggi X ad alta potenza, algoritmi di recupero di fase e apprendimento automatico per ottenere una visualizzazione nello spazio reale del pianeta. stesso materiale su scala nanometrica.
"La combinazione dei due esperimenti ci ha dato l'idea che in alcuni materiali come questo possiamo cambiare fase molto velocemente, nell'ordine di 100 volte più velocemente che in altri materiali che non hanno questa struttura", ha detto Singer. "Ci auguriamo che questo effetto rappresenti un percorso generale per accelerare il passaggio e portare ad alcune interessanti applicazioni in futuro."
Singer ha affermato che in alcuni isolanti Mott le applicazioni includono lo sviluppo di materiali che sono trasparenti nel loro stato isolante e poi diventano rapidamente opachi una volta eccitati nel loro stato metallico. La fisica sottostante potrebbe anche avere implicazioni per un'elettronica futura più veloce.
Il gruppo di ricerca di Singer prevede di continuare a utilizzare le stesse tecniche di imaging per studiare le nuove fasi della materia che si creano quando i film sottili nanostrutturati vengono eccitati con stimoli esterni.
Ulteriori informazioni: Anita Verma et al, L'espansione del volume di picosecondi guida una transizione isolante-metallo in un secondo momento in un isolante Mott nanostrutturato, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02396-1
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito dalla Cornell University
