I ricercatori rilevano un minuscolo movimento atomico nei cristalli
I risultati aprono nuove strade per lo studio dei processi ultrarapidi nei materiali
Un team di ricercatori dell'Università TU di Dortmund, dell'Università di Paderborn e dell'Università di Nottingham ha sviluppato un nuovo metodo ottico per rilevare il movimento atomico ultradebole. L'esperimento condotto a Dortmund ha dimostrato una sensibilità senza precedenti nel rilevamento del movimento atomico nei cristalli, sfruttando l'interferenza della luce. I risultati, pubblicati di recente su Nature Materials, aprono nuove strade per lo studio dei processi ultraveloci nei materiali.
Le misure ottiche precise si basano su interferometri, in cui il fascio che sonda una distanza di interesse interferisce con un fascio di riferimento che percorre un percorso fisso. Ciò consente di valutare la differenza di lunghezza di percorso dei due fasci con elevata precisione. Un esempio eclatante sono gli interferometri gravitazionali, che rilevano le onde gravitazionali indotte da un evento distante nell'universo, come la collisione di buchi neri. Per raggiungere la sensibilità desiderata, l'interferometro LIGO ha una lunghezza geometrica di 4 chilometri, che viene aumentata a 1120 chilometri effettivi facendo passare i fasci attraverso l'interferometro più volte. Ciò consente di misurare le variazioni relative delle lunghezze dei bracci dell'interferometro dell'ordine di 10-²², corrispondenti a circa 10-¹⁸ metri. Si tratta di una differenza di lunghezza estremamente piccola, circa un millesimo del raggio del protone. Ciò richiede anche un raggio laser di 200 watt di potenza, amplificato a 700 kilowatt nel risonatore formato dall'interferometro.
Il team internazionale di ricercatori di Dortmund, Paderborn e Nottingham è ora riuscito a effettuare misure interferometriche di spostamenti atomici di grandezza assoluta paragonabile, utilizzando come interferometro un cosiddetto superlattice di semiconduttori, una struttura periodica di strati nanometrici di semiconduttori fabbricata presso l'Università di Paderborn. La differenza decisiva è che le dimensioni effettive di questo interferometro sono dell'ordine di 1 micrometro, quindi un miliardo di volte più piccole degli interferometri gravitazionali. Inoltre, anche la potenza media del laser utilizzato è un miliardo di volte inferiore, dell'ordine di 1 solo microwatt.
Nell'esperimento di validazione, il rilevamento interferometrico è stato utilizzato anche per osservare un evento distante. Un impulso laser di 100 femtosecondi (cioè 10-¹³ secondi) ha riscaldato una pellicola metallica depositata su una lastra cristallina, provocando un aumento di temperatura di 0,1 gradi e un'espansione termica della pellicola inferiore a 100 attometri, cioè 10-¹⁶ metri. "L'onda acustica generata da questa espansione termica ultrarapida e minuscola, che non poteva essere rilevata da nessuna tecnica sperimentale precedentemente conosciuta, è stata rilevata con sicurezza sul lato opposto della lastra quando ha raggiunto il superlattice", spiega Marek Karzel del gruppo di lavoro del dottor Alexey Scherbakov del Dipartimento di Fisica, che ha eseguito l'esperimento chiave. Il suo collega, il dottor Anton Samusev, sottolinea la differenza con l'esperimento LIGO: "A differenza dell'interferometro LIGO, il metodo sviluppato non rileva singoli eventi, ma richiede misurazioni multiple per ottenere un rapporto segnale/rumore sufficiente. Tuttavia, questo requisito è gestibile in un laboratorio sperimentale dove le misure possono essere ripetute milioni di volte al secondo, a differenza degli eventi astronomici in cui la collisione di due buchi neri avviene una sola volta".
Questa ricerca apre enormi possibilità per gli studi sui materiali e per la metrologia quantistica che coinvolge singoli quanti di vibrazioni del reticolo cristallino, noti come fononi.
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