Il mondo quantistico in un trilionesimo di secondo


Il mondo quantistico in un trilionesimo di secondo

La nuova tecnica laser rappresenta il mondo quantistico in un trilionesimo di secondo. La tecnica cattura un processo che comunemente causa resistenza elettrica nei materiali mentre, in altri, può causare l'assenza di resistenza o superconduttività.

Per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di registrare, fotogramma per fotogramma, come un elettrone interagisce con determinate vibrazioni atomiche in un solido. La tecnica cattura un processo che comunemente causa resistenza elettrica nei materiali mentre, in altri, può causare l'esatto contrario: l'assenza di resistenza o superconduttività.

«Il modo in cui gli elettroni interagiscono tra loro e il loro ambiente microscopico determina le proprietà di tutti i solidi», ha dichiarato MengXing Na, (1) una studentessa di dottorato presso l'Università della British Columbia (UBC) e co-autore dello studio, pubblicato la scorsa settimana su Science. (2) «Una volta identificate le interazioni microscopiche dominanti che definiscono le proprietà di un materiale, possiamo trovare il modo di 'aumentare' o 'abbassare' l'interazione per ottenere utili proprietà elettroniche.»

Il controllo di queste interazioni è importante per lo sfruttamento tecnologico dei materiali quantistici, compresi i superconduttori, che vengono utilizzati nelle macchine MRI, treni a levitazione magnetica ad alta velocità e potrebbero un giorno rivoluzionare il modo in cui l'energia viene trasportata.

A piccole scale, gli atomi in tutti i solidi vibrano costantemente. Le collisioni tra un elettrone e un atomo possono essere viste come un evento di “dispersione” tra l'elettrone e la vibrazione, chiamato fonone. (3) Lo scattering può far sì che l'elettrone cambi sia la sua direzione che la sua energia. Tali interazioni elettrone-fonone sono al centro di molte fasi esotiche della materia, dove i materiali mostrano proprietà uniche.

Con il supporto della Gordon and Betty Moore Foundation, il team dell'Istituto Quantum Matter Stewart Blusson (SBQMI) dell'University of British Columbia ha sviluppato una nuova sorgente laser ultra-ultravioletta per abilitare una tecnica chiamata spettroscopia di fotoemissione risolta nel tempo per la visualizzazione di processi di scattering di elettroni in tempi estremamente rapidi.

La dottoressa MengXing Na spiega: «Usando un impulso laser ultracorto, abbiamo eccitato i singoli elettroni dal loro normale ambiente di equilibrio. Utilizzando un secondo impulso laser come efficace otturatore della fotocamera, abbiamo catturato il modo in cui gli elettroni si disperdono con gli atomi circostanti su scale temporali più velocemente di un trilione di secondi. Grazie all'altissima sensibilità della nostra configurazione, siamo riusciti a misurare direttamente - per la prima volta - come gli elettroni eccitati interagiscono con una specifica vibrazione atomica, o fonone.»

I ricercatori hanno eseguito l'esperimento sulla grafite, una forma cristallina di carbonio e il composto madre di nanotubi di carbonio, sfere di Bucky e grafene. L'elettronica a base di carbonio è un settore in crescita e i processi di scattering che contribuiscono alla resistenza elettrica possono limitare la loro applicazione nella nanoelettronica.

L'approccio sfrutta una struttura laser unica ideata da David Jones (4) e Andrea Damascelli (5) e sviluppata dall'autore co-conduttore Arthur Mills, (6) presso il Centro UBC-Moore per Ultrafast Quantum Matter. Lo studio è stato anche supportato da collaborazioni teoriche con i gruppi di Tom Devereaux (7) alla Stanford University e Alexander Kemper (8) alla North Carolina State University.

«Grazie ai recenti progressi nelle sorgenti laser a impulsi, stiamo appena iniziando a visualizzare le proprietà dinamiche dei materiali quantistici», ha affermato il dottor David Jones, professore al Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI) dell'University of British Columbia e ad dipartimento di Fisica e Astronomia.

«Applicando queste tecniche pionieristiche, siamo ora pronti a rivelare il mistero inafferrabile della superconduttività ad alta temperatura e molti altri affascinanti fenomeni della materia quantistica», ha affermato il dottor Andrea Damascelli, direttore scientifico del Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI).

Il lavoro è stato supportato dall'Iniziativa EPiQS (Grant GBMF4779 to A.D. and D.J.J.), il Natural Sciences and Engineering Research Council, Canada Foundation for Innovation, il B.C. Knowledge Development Fund, e il Canada First Research Excellence Fund.

Riferimenti:

(1) MengXing Na

(2) Direct determination of mode-projected electron-phonon coupling in the time domain

(3) Fonone

(4) David Jones

(5) Andrea Damascelli

(6) Arthur Mills

(7) Tom Devereaux

(8) Alexander Kemper

(9) Andrea Damascelli

Descrizione foto: gli impulsi ultraveloci di luce ultravioletta estrema vengono creati in un getto di gas di plasma bianco e sono visibili come punti blu su uno schermo al fosforo e raggi gialli dalla fluorescenza dell'ossigeno. Credit: Research to Reality.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New laser technique images quantum world in a trillionth of a second

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