Un team internazionale con la partecipazione del Paul Scherrer Institute PSI mostra come la luce può cambiare radicalmente le proprietà dei materiali solidi e come questi effetti possono essere utilizzati per applicazioni future. I ricercatori riassumono i loro progressi in questo campo, che si basa tra l’altro su esperimenti che possono essere effettuati anche presso il laser svizzero a elettroni liberi a raggi X SwissFEL, nella rivista scientifica Reviews of Modern Physics.
I ricercatori esplorano come la luce può alterare fondamentalmente le proprietà dei solidi e come questi effetti possono essere sfruttati in applicazioni future. La rassegna sugli ultimi sviluppi nella scienza dei materiali ultraveloci è intesa sia come guida per gli studenti laureati che entrano nel campo, sia come riferimento standard per la comunità. Oltre al ricercatore PSI Simon Gerber, è stato scritto dai leader del gruppo MPSD James McIver e Michael Sentef, nonché da Dante Kennes della RWTH Aachen University, Alberto de la Torre (Brown University, USA) e Martin Claasen (Università della Pennsylvania, USA) . Il team discute esperimenti e idee teoriche su come i solidi reagiscono alle eccitazioni con brevi impulsi laser o l’accoppiamento di luce e materia durante l’irradiazione con la luce.
Un pezzo di materiale, quando lasciato solo, è solitamente in equilibrio termico e governato dalle leggi della termodinamica, in cui poche condizioni esterne note (come temperatura e pressione), ne determinano completamente il comportamento. Tuttavia, molte applicazioni pratiche richiedono la conoscenza non solo dello stato di equilibrio di un dato materiale, ma anche delle sue eccitazioni. “Se potessimo progettare stati eccitati a nostro piacimento, questo ci consentirebbe di creare nuove applicazioni, ad esempio nell’elaborazione e archiviazione di informazioni ad alta velocità, nel trasferimento di energia senza perdite e nelle tecnologie quantistiche”, spiega Simon Gerber.
Come un secondo rispetto all’età dell’universo
Negli ultimi anni, il campo degli “esperimenti pump-probe” ha visto enormi progressi. In questi esperimenti, che possono essere eseguiti presso il laser svizzero a elettroni liberi a raggi X SwissFEL, un breve impulso laser “a pompa” porta un materiale in uno stato eccitato. Le misurazioni stroboscopiche della “sonda” creano quindi filmati d’azione delle dinamiche successive. “Grazie agli sviluppi tecnici, gli scienziati possono ora esercitare il controllo sugli elettroni, sul loro spin e sui gradi di libertà orbitali e sul reticolo cristallino degli ioni”, ha affermato Michael Sentef. “È importante sottolineare che siamo in grado di tracciare questi stati controllati della materia con una risoluzione temporale di femtosecondi”.
Per riesaminare questo campo in rapida crescita, gli scienziati hanno formato un team che coinvolgeva sia sperimentali – de la Torre, McIver e Gerber – sia teorici – Claassen, Kennes e Sentef. “Riteniamo che sia di vitale importanza identificare temi unificanti su come possiamo controllare i materiali con la luce e spingere verso le applicazioni”,ha affermato Dante Kennes.
Simon Gerber evidenzia il nuovo aspetto che è possibile combinare diverse tecniche di ispezione per conoscere contemporaneamente parti diverse di un sistema dinamico. “Quando colpisci un materiale con un laser, gli elettroni vengono spinti e gli ioni che formano il reticolo cristallino iniziano a muoversi contemporaneamente”, spiega. “A differenza dell’equilibrio termico, dove c’è sempre un equilibrio tra questi diversi costituenti di un sistema, il laser può interrompere questo equilibrio, portando a stati di non equilibrio in cui l’energia scorre all’interno del materiale in modi a volte inaspettati. È prezioso imparare come le diverse parti reagiscono alla forza motrice esterna ma anche tra loro. Ad esempio, abbiamo appreso le forze reciproche tra elettroni e ioni monitorando entrambe le loro dinamiche contemporaneamente”.
Queste nuove intuizioni aprono la strada al lavoro futuro, aggiunge Sentef: “La conoscenza acquisita, ad esempio, ci consente di comprendere meglio quali forze accoppiano gli elettroni per creare superconduttori migliori, materiali che conducono elettricità senza perdite di calore e creano fantastici magneti”.
Ispirazione attraverso la combinazione di teoria e pratica
“Le nuove capacità sperimentali stimolano anche idee teoriche, che a loro volta motivano gli sperimentali a cercare modi per realizzare tali idee”, afferma Martin Claassen. “Ad esempio, circa dieci anni fa i teorici hanno proposto di cambiare la topologia di un materiale, una proprietà quantomeccanica che può portare a un trasporto senza dissipazione lungo i suoi bordi pur essendo isolante nella massa, illuminandolo con luce. Questo è chiamato ingegneria Floquet dal francese matematico che ha inventato un formalismo per descrivere sistemi dinamici che sono guidati da forze che oscillano in tempo reale.”
Gli stati topologici di Floquet risultanti sono stati misurati solo di recente in un esperimento condotto da James McIver. “Abbiamo dovuto inventare e costruire un esperimento completamente nuovo per raggiungere questo obiettivo”, dice. “Nella nostra recensione, sottolineiamo le sinergie che si creano quando teoria e sperimentazione vanno di pari passo. Riteniamo che il campo sia ora maturo per passare dalle scoperte di nuovi effetti nei materiali azionati dal laser allo sfruttamento di questi effetti per potenziali tecnologie”.
De la Torre aggiunge che “un modo per raggiungere questo obiettivo è utilizzare tecniche di crescita del materiale per progettare campioni con l’equilibrio e gli stati eccitati desiderati. Questi possono quindi essere controllati da brevi impulsi laser. Questo è chiaramente uno sforzo di squadra, guidato sia dal progresso sperimentale che dalla comprensione teorica, e speriamo che la nostra recensione possa aiutare a formare una comunità ancora più forte e ad attirare ricercatori particolarmente giovani a unirsi a questo viaggio scientifico”.
