Dare un “calcio” agli atomi per far diventare trasparente un materiale

Università degli studi di Trieste 11 Gen 2021

 

Un team ricercatori di Italia, Germania e Stati Uniti, in uno studio pubblicato su Nature Physics, dimostra come in un ossido di Rame l’eccitazione degli atomi con un campo infrarosso possa migliorare altre proprietà del materiale

Trieste, 8 gennaio 2021 - Tutti i dispositivi optoelettronici funzionano sulla base di come i materiali assorbono, trasmettono o riflettono la luce. Per questo, comprendere come i materiali interagiscono con la radiazione a livello atomico non solo aiuta a decidere quale materiale scegliere per una determinata applicazione - ad esempio nel campo delle telecomunicazioni o della sensoristica -, ma apre anche allo sviluppo di materiali con proprietà sempre nuove. Una collaborazione tra ricercatori provenienti da Italia, Germania e Stati Uniti ha dimostrato come in un ossido di Rame (CuGeO3) far vibrare gli atomi forzatamente, “calciandoli” con un impulso laser a infrarossi, può rendere il materiale trasparente per tempi brevissimi (meno di 10 alla meno 12 secondi).

Questo risultato apre la strada ad altre applicazioni in cui l’eccitazione con un campo infrarosso può essere usata per migliorare altre proprietà del materiale come, ad esempio, la superconduttività e controllarle su scale temporali ultraveloci. Il lavoro è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Physics.

La progettazione di materiali complessi con nuove funzionalità richiede la comprensione delle interazione tra i diversi costituenti della materia, come ad esempio l’interazione tra gli elettroni e le vibrazioni dei cristalli - i cosiddetti fononi. L’interazione tra questi diversi costituenti della materia può essere di natura incoerente o coerente. Mentre la prima è di solito il risultato delle fluttuazioni dei nuclei indotte dalla temperatura, la seconda si raggiunge quando gli atomi si muovono all’unisono, in modo coerente. In questo lavoro, i ricercatori hanno utilizzato un campo elettrico risonante con le vibrazioni proprie del cristallo per rendere unisono (coerente) il movimento degli atomi.

In particolare hanno mostrato che in questo modo è possibile controllare le posizioni degli atomi di ossigeno che circondano gli ioni Cu2+ in un cristallo di CuGeO3. Questo fa si che si possa controllare dinamicamente il campo elettrico elettrico in cui gli ioni Cu2+ sono immersi che ne determina l’assorbimento di luce visibile. Questo materiale è ideale per due motivi principali: i fononi possono essere eccitati selettivamente tramite il pompaggio laser e le caratteristiche eccitazioni elettroniche ad alta energia (circa 1,7eV) associate a questo campo cristallino sono isolate da altri processi di assorbimento. In questo modo, è stato possibile ottenere una trasparenza alla luce visibile della durata di circa 0,3 picosecondi, nella finestra energetica delle transizioni elettroniche d-d.

"Questo studio dimostra quanto possiamo controllare le proprietà della materia con impulsi di luce ultracorti", dice Alexandre Marciniak, il primo autore di questo lavoro insieme a Stefano Marcantoni, entrambi dell'Università di Trieste. "È davvero notevole come possiamo svelare le intime relazioni microscopiche tra le eccitazioni in un materiale e come questa comprensione può essere utilizzata per fabbricare dispositivi funzionali che possono diventare trasparenti a richiesta". Tutta l'attività sperimentale del progetto, sostenuto finanziariamente principalmente dal Consiglio Europeo della Ricerca (progetto INCEPT), è stata effettuata in Area Science Park ad Elettra Sincrotrone Trieste presso il laboratorio Q4Q guidato da Daniele Fausti dell'Università degli Studi di Trieste. Il modello teorico è stato sviluppato nel gruppo di Fabio Benatti all'Università di Trieste, in collaborazione con i ricercatori del gruppo di Ángel Rubio presso il MPSD e Jeroen van den Brink presso l'IFW / l'Istituto di Fisica Teorica in Dresda.

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