Gli scienziati catturano per primi

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Lo sviluppo della fotografia con flash stroboscopico ad alta velocità negli anni '60 da parte del defunto professore del MIT Harold "Doc" Edgerton ci ha permesso di visualizzare eventi troppo veloci per l'occhio: un proiettile che perfora una mela o una gocciolina che colpisce una pozza di latte.

Ora, utilizzando una serie di strumenti spettroscopici avanzati, gli scienziati del MIT e dell’Università del Texas ad Austin hanno per la prima volta catturato istantanee di una fase metastabile indotta dalla luce nascosta dall’universo in equilibrio. Utilizzando tecniche di spettroscopia a scatto singolo su un cristallo 2D con modulazioni su scala nanometrica della densità elettronica, sono stati in grado di visualizzare questa transizione in tempo reale.

"Con questo lavoro, stiamo mostrando la nascita e l'evoluzione di una fase quantistica nascosta indotta da un impulso laser ultracorto in un cristallo modulato elettronicamente", afferma Frank Gao PhD '22, co-autore principale di un articolo sul lavoro attualmente in fase di elaborazione. un postdoc all'UT Austin.

"Di solito, puntare i laser sui materiali equivale a riscaldarli, ma non in questo caso", aggiunge Zhuquan Zhang, co-autore principale e attuale studente laureato in chimica del MIT. "Qui, l'irradiazione del cristallo riorganizza l'ordine elettronico, creando una fase completamente nuova, diversa da quella ad alta temperatura."

Un articolo su questa ricerca è stato pubblicato oggi su Science Advances. Il progetto è stato coordinato congiuntamente da Keith A. Nelson, professore di chimica Haslam e Dewey al MIT, e da Edoardo Baldini, assistente professore di fisica all'UT-Austin.

Spettacoli laser

"Comprendere l'origine di tali fasi quantistiche metastabili è importante per affrontare questioni fondamentali di vecchia data nella termodinamica del non equilibrio", afferma Nelson.

"La chiave di questo risultato è stata lo sviluppo di un metodo laser all'avanguardia in grado di 'creare filmati' di processi irreversibili nei materiali quantistici con una risoluzione temporale di 100 femtosecondi." aggiunge Baldini.

Il materiale, il disolfuro di tantalio, è costituito da strati legati covalentemente di atomi di tantalio e zolfo impilati liberamente uno sopra l'altro. Al di sotto di una temperatura critica, gli atomi e gli elettroni del materiale si modellano in strutture su scala nanometrica a “Stella di David” – una distribuzione non convenzionale di elettroni nota come “onda di densità di carica”.

La formazione di questa nuova fase rende il materiale un isolante, ma irradiando un unico, intenso impulso di luce spinge il materiale in un metallo nascosto metastabile. "È uno stato quantico transitorio congelato nel tempo", afferma Baldini. "Le persone hanno già osservato questa fase nascosta indotta dalla luce, ma i processi quantistici ultraveloci dietro la sua genesi erano ancora sconosciuti."

Nelson aggiunge: "Una delle sfide principali è che osservare una trasformazione ultraveloce da un ordine elettronico a uno che può persistere indefinitamente non è pratico con le tecniche convenzionali risolte nel tempo".

Impulsi di intuizione

I ricercatori hanno sviluppato un metodo unico che prevedeva la suddivisione di un singolo impulso laser della sonda in diverse centinaia di impulsi distinti della sonda, che arrivavano tutti al campione in momenti diversi, prima e dopo che la commutazione veniva avviata da un impulso di eccitazione ultraveloce separato. Misurando i cambiamenti in ciascuno di questi impulsi della sonda dopo che sono stati riflessi o trasmessi attraverso il campione e quindi mettendo insieme i risultati della misurazione come singoli fotogrammi, hanno potuto costruire un filmato che fornisce informazioni microscopiche sui meccanismi attraverso i quali avvengono le trasformazioni.

Catturando la dinamica di questa complessa trasformazione di fase in una misurazione a colpo singolo, gli autori hanno dimostrato che la fusione e il riordino dell'onda di densità di carica portano alla formazione dello stato nascosto. I calcoli teorici di Zhiyuan Sun, un postdoc dell’Harvard Quantum Institute, hanno confermato questa interpretazione.

Anche se questo studio è stato condotto con un materiale specifico, i ricercatori affermano che la stessa metodologia può ora essere utilizzata per studiare altri fenomeni esotici nei materiali quantistici. Questa scoperta potrebbe anche aiutare con lo sviluppo di dispositivi optoelettronici con fotorisposte su richiesta.