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Introduzione

Un nuovo esperimento condotto dai fisici del MIT (e non solo) sta cambiando l’idea che ci si era fatto sin ora circa le modificazione che subisce la materia nella sua struttura quando la si sollecita con energia. La scoperta è stata riportata sulla rivista Nature Physics, in un articolo dei professori del MIT Nuh Gedik e Pablo Jarillo-Herrero, ed altri tra il MIT, Harvard University, SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford Università e Argonne National Laboratory.

Il nuovo esperimento

La materia quando viene sottoposta ad energia cambia la sua struttura diventando più “disordinata“. Ad esempio quando il ghiaccio lo si riscalda, si scioglie diventando acqua liquida perdendo la sua struttura ordinata.

Nuovi esperimenti condotti da fisici del MIT hanno dimostrato, utilizzando un nuovo approccio, che non è sempre così. Quando un modello – chiamato onda di densità di carica unidirezionale (CDW) – in un certo materiale, viene colpito con un impulso laser ultra-veloce, viene creata una CDW completamente nuova, uno stato altamente ordinato, contrariamente a quanto ci si aspettasse. La scoperta sorprendente potrebbe aiutare a rivelare proprietà invisibili contenute in ogni tipo di materiale.

A riguardo, Gedik, uno degli autori dello studio ha dichiarato: “normalmente, per cambiare la fase di un materiale provi con la chimica, ricorri alla pressione o ai campi magnetici. In questo lavoro, stiamo usando la luce per ottenere questi cambiamenti“.

Negli esperimenti è stato fatto uso di un materiale – il LaTe3 – che si forma naturalmente in una struttura a strati. In questo materiale, un modello ondulatorio di elettroni nelle regioni ad alta e bassa densità si forma spontaneamente ma è confinato in una sola direzione all’interno del materiale. Quando viene colpito da un impulso laser ultra-veloce quel CDW viene cancellato e si forma un nuovo CDW, ad angolo retto rispetto all’originale. Gedik sottolinea che “questo è abbastanza insolito. Nella maggior parte dei casi, quando si aggiunge energia a un materiale, si riduce l’ordine. La versione perpendicolare del CDW che appare dopo l’utilizzo della diffrazione elettronica ultraveloce non è mai stata osservata in questo materiale“.

Questo nuovo CDW è qualcosa che non è mai stato osservato prima in questo materiale. Esiste solo per un lampo, scomparendo nel giro di un trilionesimo di secondo. Mentre scompare, l’originale ritorna, suggerendo che la sua presenza è stata in qualche modo occultata. “Lampeggia solo brevemente, e poi scompare, dice Kogar, per essere sostituito dal modello CDW originale che torna immediatamente nella sua forma.

La competizione tra stati e i possibili utilizzi

L’idea che due possibili stati della materia potrebbero essere in competizione e che la modalità dominante stia sopprimendo una o più modalità alternative è abbastanza comune nei materiali quantistici, affermano i ricercatori. “È come se questi due [tipi di CDW] siano in competizione: quando uno si presenta, l’altro scompare“, afferma Kogar. “Penso che il concetto davvero importante qui sia la competizione di fase“.

Ciò suggerisce che potrebbero esserci stati latenti invisibili in molti tipi di materia che potrebbero essere svelati se si potesse trovare un modo per sopprimere lo stato dominante. “Abbattendo lo stato dominante con questi impulsi laser ultra-veloci, forse questi altri stati possono emergere“, dice Gedik. E poiché i nuovi stati appaiono e scompaiono così rapidamente, “è possibile accenderli e spegnerli“, il che può rivelarsi utile per alcune applicazioni di elaborazione delle informazioni.

La possibilità che la soppressione di altre fasi possa rivelare proprietà dei materiali completamente nuove apre nuove aree di ricerca. Le nuove scoperte potrebbero aiutare a comprendere meglio il ruolo della competizione di fase in altri sistemi. Questo a sua volta può aiutare a rispondere a domande come quelle relative alla superconduttività che si verifica in alcuni materiali a temperature relativamente elevate e può aiutare nella ricerca di superconduttori anche a temperature più elevate.

Collaborazioni

Il lavoro è stato supportato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dal National Accelerator Laboratory dello SLAC, dal Programma NGP Skoltech-MIT, dal Center for Excitonics e dalla Fondazione Gordon e Betty Moore.

Approfondimento