Quegli impulsi di luce che modificano… le proprietà dei solidi

Grazie al laser a raggi X SwissFEL, si controlla il grado di libertà di spin e orbitali degli elettroni e il reticolo cristallino degli ioni

Un team internazionale con la partecipazione dell’Istituto Paul Scherrer ha dimostrato come la luce possa cambiare in maniera fondamentale le proprietà dei solidi e come questi effetti possano essere utilizzati per future applicazioni tecnologiche. Lo ha sottolineato in una nota il Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik.
I ricercatori hanno riassunto i loro progressi in questo campo (che si basano fra l’altro su esperimenti che possono essere eseguiti anche al laser svizzero a raggi X a elettroni liberi denominato SwissFEL) nella rivista scientifica “Reviews of Modern Physics”.
La scoperta è riconducibile a un gruppo di ricercatori ai quali appartiene anche Simon Gerber, capo del Quantum Technologies Group al Paul Scherrer Institute di Villigen e Würenlingen.
La recensione sugli ultimi sviluppi nella scienza dei materiali conduttori ultraveloci è intesa sia come una guida per gli studenti già laureati ed interessati a entrare in tale campo di ricerca con un dottorato, sia come un riferimento standard per la comunità scientifica.

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Coinvolti studiosi di Aquisgrana, Rhode Island e Pennsylvania

Oltre al menzionato ricercatore del PSI, l’esito dello studio è stato firmato dai leader del gruppo MPSD, James McIver e Michael Sentef, nonché da Dante Kennes dell’Università Tecnica di Aquisgrana, Alberto de la Torre (Brown University, USA) e Martin Claasen (University della Pennsylvania, USA).
Il team si occupa di esperimenti e dello sviluppo di teorie su come i solidi reagiscono alle eccitazioni di brevi impulsi laser o sull’accoppiamento di luce e materia durante fasi di irradiazione.
Un pezzo di materiale, quando viene lasciato inerte, è di solito in equilibrio termico e governato dalle leggi della termodinamica, in cui poche condizioni esterne note (come la temperatura o la pressione) determinano completamente il suo comportamento.
Tuttavia, molte applicazioni pratiche richiedono la conoscenza non soltanto dello stato di equilibrio di un dato materiale, ma anche delle sue capacità di eccitazione.
“Se potessimo progettare stati eccitati a piacimento, ciò ci permetterebbe di elaborare nuove applicazioni, per esempio nell’elaborazione e nell’immagazzinamento di informazioni ad alta velocità, nel trasferimento di energia senza perdite e nelle tecnologie quantistiche”, spiega Simon Gerber.

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Il femtosecondo: come un secondo rispetto all’età dell’universo

Negli ultimi anni, il campo degli “esperimenti pompa-sonda” ha visto un enorme progresso. In questi esperimenti, che possono essere eseguiti presso il laser svizzero a elettroni liberi a raggi X SwissFEL, un breve impulso laser “pompa” induce in un materiale uno stato di eccitazione.
Le misure stroboscopiche della “sonda” creano così dei filmati di fermo-azione della dinamica che ne deriva. “Grazie agli sviluppi tecnici, gli scienziati possono ora esercitare un controllo sugli elettroni, sui loro gradi di libertà di Spin e orbitali, nonché sul reticolo cristallino degli ioni”, dice Michael Sentef.
“È importante notare che siamo in grado di tracciare questi stati controllati della materia con una risoluzione temporale di femtosecondi”. Un femtosecondo è una quantità di tempo incredibilmente piccola. È per un secondo quello che un secondo è per l’età dell’universo.
Per esaminare questo campo di studi in rapida espansione, gli scienziati hanno formato un team che coinvolge sia gli sperimentatori (De la Torre, McIver e Gerber) che i teorici (Claassen, Kennes e Sentef).
“Crediamo sia di vitale importanza per noi studiosi identificare temi univoci di confronto sulle modalità con le quali possiamo controllare i materiali con la luce, e spingere verso applicazioni pratiche”, dice Dante Kennes.

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La chiave di volta risiede in diverse modalità di campionatura

Simon Gerber sottolinea l’aspetto innovativo dell’insorgenza di diverse tecniche di campionatura, che possono essere combinate per conoscere diverse parti di un sistema dinamico nel medesimo momento.
“Quando si colpisce un materiale con un raggio laser, gli elettroni sono spinti a distanza e gli ioni che formano il reticolo cristallino iniziano allo stesso tempo a muoversi”, spiega.
“A differenza dell’ambito termico, dove c’è sempre un equilibrio tra i diversi elementi di un sistema, il laser può interrompere questo equilibrio, portando a stati di non equilibrio dove l’energia scorre all’interno del materiale in modi a volte inaspettati. È di inestimabile importanza imparare come le diverse parti reagiscono all’energia che è immessa dall’esterno, ma anche l’una rispetto all’altra. Per esempio, abbiamo imparato a conoscere le forze reciproche che legano elettroni e ioni, monitorando entrambe le loro dinamiche simultaneamente“.
Queste nuove intuizioni aprono la strada agli studi del futuro, aggiunge Sentef: “La conoscenza ottenuta con questi esperimenti, per esempio, ci permette di comprendere meglio quali forze accoppiano fra loro gli elettroni per creare i migliori superconduttori, materiali che conducono l’elettricità senza perdite di calore e che realizzano dei magneti fantastici”.

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Un’ispirazione dovuta alla combinazione di teoria e pratica

“Le nuove capacità sperimentali stimolano anche idee teoriche, che a loro volta motivano gli sperimentatori a cercare modi per realizzare quelle idee”, dice Martin Claassen.
“Per esempio, una decina di anni fa i teorici hanno proposto di cambiare la tipologia di un materiale, che può portare a un trasporto senza dissipazione lungo i suoi bordi pur essendo isolante nella massa, illuminandolo con luce”.
Questa condizione è chiamata “Ingegneria di Floquet” dal nome del matematico francese che ha inventato un metodo formale per descrivere sistemi dinamici che sono guidati da forze che oscillano in tempo reale.
Gli stati topologici di Floquet risultanti sono misurati soltanto recentemente in un esperimento guidato da James McIver. “Abbiamo dovuto inventare e costruire un test completamente nuovo per ottenere questo risultato”, dice.
“Nella nostra recensione, sottolineiamo le sinergie che si creano quando teoria e pratica vanno di pari passo. Crediamo che il settore sia ora maturo per passare dalle scoperte di nuovi effetti nei materiali ‘guidati’ dal laser allo sfruttamento di questi effetti per potenziali tecnologie concrete“.
De la Torre aggiunge: “Un modo per raggiungere questo obiettivo è quello di utilizzare le tecniche di crescita dei materiali per progettare campioni con i desiderati stati di equilibrio e di eccitazione. Questi ultimi possono essere poi controllati da brevi impulsi laser. Questo è chiaramente un lavoro di squadra, guidato sia dal progresso sperimentale che dalla comprensione teorica. Speriamo che la nostra recensione su una rivista di settore (come “Reviews of Modern Physics”, ndr) possa contribuire a formare una comunità scientifica ancora più forte e ad attrarre, soprattutto, i giovani ricercatori, all’interno di questo nuovo viaggio della scienza”.

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