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

Un team ricercatori di Italia (UniTs), 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.

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diventare trasparente un materiale

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 come quella di fare diventare trasparente un materiale.

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 fare diventare trasparente un materiale per tempi brevissimi (meno di 10-12 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 interazioni 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 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 Rubiopresso il MPSD e Jeroen van den Brink presso l’IFW/l’Istituto di Fisica Teorica in Dresda.

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