Mappa atomica svela transizioni ultraveloci nei materiali chiave per nuove applicazioni tecnologiche

RomeGli scienziati del Brookhaven National Laboratory hanno fatto una scoperta significativa. Hanno realizzato i primi film che mostrano come si muovono gli atomi in un materiale mentre passa da isolante a metallo. Questo studio, pubblicato sulla rivista Nature Materials, risolve un dibattito di lunga data tra gli scienziati.

Punti salienti della scoperta:

• Scoperta una nuova fase del materiale
• Analisi condotta tramite funzione di distribuzione delle coppie atomiche (PDF)
• Strutture utilizzate: laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL)
• Cambiamenti osservati su scale temporali di picosecondi
• Applicazioni potenziali in informatica, chimica e stoccaggio energetico

La tecnica PDF è frequentemente utilizzata negli esperimenti con le sorgenti di luce sincrotrone. Questi esperimenti sono limitati dalla durata degli impulsi di raggi X che possono generare. Le sorgenti sincrotrone sono efficaci nel monitorare i cambiamenti nei materiali su intervalli di tempo che vanno da minuti a ore. Tuttavia, i ricercatori miravano a osservare cambiamenti che avvengono in picosecondi.

Per raggiungere questo obiettivo, hanno utilizzato la tecnica PDF presso il Linac Coherent Light Source (LCLS) al SLAC National Accelerator Laboratory, che offre impulsi X ultra brevi e intensi. Jack Griffiths, uno degli autori dell'articolo, ha spiegato che questo consente di catturare chiaramente oggetti in rapido movimento in modo dettagliato.

Grazie a questo metodo, il team ha potuto realizzare filmati che mostrano il movimento degli atomi quando i materiali cambiano stato. Questi movimenti possono guidare la progettazione di nuovi materiali in futuro.

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I ricercatori hanno individuato una nuova fase del materiale durante le transizioni. Hanno osservato che impulsi laser provocavano cambiamenti a livello atomico, portando a una transizione "non-equilibrata". Questa scoperta è cruciale per settori come l'informatica, dove è necessario che i materiali rimangano stabili in diverse condizioni ma, allo stesso tempo, siano in grado di cambiare fase in modo affidabile quando richiesto.

I ricercatori hanno utilizzato un laser per colpire gli atomi, provocando cambiamenti in tutto il materiale. Questi cambiamenti hanno portato a uno stato temporaneo di disordine che è durato per breve tempo. I ricercatori credono che ciò potrebbe indicare l'esistenza di un materiale stabile nelle vicinanze che non è ancora stato scoperto.

Ricercatori di diverse istituzioni, come la Columbia University e l'Argonne National Laboratory, hanno collaborato per rendere questa tecnica PDF efficace negli XFELs. Hanno selezionato con cura le migliori linee di fascio per i loro esperimenti e sono riusciti a raggiungere i loro obiettivi grazie agli sforzi congiunti.

Il nuovo metodo PDF fornisce informazioni sui movimenti degli atomi e sulle trasformazioni di fase dei materiali. Questo può portare a miglioramenti nei materiali per il calcolo, nei superconduttori e nello stoccaggio dell'energia. Le ricerche future si concentreranno sulle diverse trasformazioni di fase nei materiali quantistici.

Con l'upgrade a LCLS-II-HE, il team prevede di condurre studi ancora più dettagliati. Questo renderà la tecnica diffusa nella scienza dei materiali. I risultati non solo risolveranno problemi esistenti, ma creeranno anche nuove opportunità per la ricerca e l'applicazione.