Gli elettroni sono in ritardo rispetto al nucleo
Un effetto interessante nei materiali simili al grafene
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I ricercatori del Politecnico di Zurigo hanno dimostrato, per la prima volta con un'altissima risoluzione temporale e spaziale, che gli elettroni in alcuni materiali bidimensionali seguono il movimento dei nuclei atomici solo con un ritardo. Questa scoperta potrebbe portare allo sviluppo di nuovi dispositivi elettronici in futuro.
Uno dei grandi successi della fisica del XX secolo è stata la descrizione quantomeccanica dei solidi. Ciò ha permesso agli scienziati di capire per la prima volta come e perché alcuni materiali conducono la corrente elettrica e come queste proprietà possano essere modificate in modo mirato. Ad esempio, i semiconduttori come il silicio potevano essere utilizzati per produrre transistor, che hanno rivoluzionato l'elettronica e reso possibili i moderni computer.
Per poter cogliere matematicamente la complessa interazione tra elettroni e nuclei atomici e i loro movimenti in un solido, i fisici hanno dovuto fare alcune semplificazioni. Hanno ipotizzato, ad esempio, che gli elettroni leggeri di un atomo seguano senza alcun ritardo il moto dei nuclei atomici, molto più pesanti, in un reticolo cristallino. Per diversi decenni, questa approssimazione di Born-Oppenheimer ha funzionato bene.
L'approssimazione fallisce in alcuni materiali
Ora, però, i ricercatori del Politecnico di Zurigo e dell'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia di Amburgo hanno dimostrato che gli elettroni di alcuni materiali rispondono con un ritardo. Inoltre, questo ritardo dipende dal luogo in cui gli elettroni sono localizzati e dallo stato energetico che occupano.
Utilizzando esperimenti con risoluzione al secondo e calcoli teorici, Ursula Keller e Lukas Gallmann del Dipartimento di Fisica dell'ETH hanno potuto dimostrare che gli elettroni dei materiali stratificati piatti, i cosiddetti MXeni, rispondono al movimento dei nuclei atomici con un ritardo apprezzabile. I ricercatori hanno recentemente pubblicato i loro risultati sulla rivista scientifica Science. Questi risultati potrebbero aiutare a sviluppare in futuro nuovi dispositivi optoelettronici.
Un effetto interessante nei materiali simili al grafene
La spettroscopia ad attosecondi è utilizzata dagli scienziati per studiare eventi fisici con una risoluzione temporale inimmaginabile, nell'ordine dei miliardesimi di miliardesimo di secondo (10-18 secondi). Negli ultimi trent'anni, i ricercatori dell'ETH hanno svolto un lavoro pionieristico in questo campo. "I fononi, o vibrazioni del reticolo, non sono stati il nostro principale interesse perché sono relativamente lenti", spiega Sergej Neb, postdoc nel gruppo di Keller e primo autore dell'articolo. Studiando i fononi negli MXeni, tuttavia, lui e i suoi colleghi hanno scoperto un ritardo inaspettato nel movimento degli elettroni.
Gli MXeni sono materiali bidimensionali simili al grafene. L'MXene studiato dai ricercatori dell'ETH è costituito da diversi strati in cui gli atomi di titanio, carbonio e ossigeno si legano a formare un reticolo. Il materiale è stato prodotto dai colleghi del Dipartimento di Ingegneria meccanica e di processo.
Ma come si possono studiare le vibrazioni del reticolo all'interno di un materiale di questo tipo? I fisici sono riusciti a eccitare le vibrazioni reticolari nell'MXene utilizzando un breve impulso laser a infrarossi. Successivamente, hanno irradiato il materiale con un impulso laser di un secondo nell'ultravioletto estremo e hanno misurato la quantità di luce laser che passava attraverso il materiale.
A seconda della lunghezza d'onda degli impulsi, gli elettroni del materiale potrebbero essere eccitati ad assorbire fotoni ultravioletti e quindi a raggiungere livelli di energia più elevati. Infine, i ricercatori hanno ripetuto l'esperimento senza eccitare inizialmente le vibrazioni del reticolo. Dalla differenza tra i due risultati hanno potuto dedurre il movimento degli elettroni e dei nuclei atomici.
Gli elettroni restano indietro
In particolare, variando la separazione temporale tra i due impulsi laser da pochi femtosecondi (10-15 secondi, ovvero la milionesima parte di un miliardesimo di secondo) fino a picosecondi (10-12 secondi, ovvero la millesima parte di un miliardesimo di secondo), i fisici sono riusciti a determinare con estrema precisione il ritardo con cui gli elettroni hanno reagito all'improvvisa eccitazione delle vibrazioni del reticolo.
"Ovviamente, nell'approssimazione standard di Born-Oppenheimer non ci aspetteremmo alcun ritardo", spiega Neb, "ma abbiamo notato che gli elettroni sono rimasti indietro rispetto ai nuclei atomici fino a trenta femtosecondi: nel mondo degli attosecondi, si tratta di un tempo molto lungo".
Infine, i ricercatori dell'ETH hanno confrontato i loro dati con i risultati di un modello matematico sviluppato dai loro colleghi di Amburgo. Da questo confronto hanno potuto dedurre che le vibrazioni dei nuclei atomici influenzano la distribuzione spaziale degli elettroni, che a sua volta modifica il campo elettromagnetico in prossimità degli atomi nel reticolo. Anche le interazioni tra gli elettroni hanno giocato un ruolo importante.
Ma c'è di più: dai dati, Neb e i suoi colleghi hanno potuto anche vedere come si comportavano gli elettroni in prossimità dei diversi atomi dell'MXene. "Una tale visione delle dinamiche tra elettroni e fononi a livello di singoli atomi - e persino in funzione del loro stato, dei legami e della loro energia - non era finora possibile. Questa risoluzione dettagliata è stata resa possibile solo dalla nostra tecnologia ad attosecondi", spiega Neb.
I ricercatori sperano che le loro nuove intuizioni sull'interazione tra elettroni e vibrazioni del reticolo portino a modelli matematici più precisi, al di là delle solite approssimazioni. Si possono anche immaginare applicazioni pratiche. "Il nostro metodo ci permette di misurare la forza di accoppiamento tra gli elettroni e le vibrazioni del reticolo. Da questo possiamo prevedere in quali condizioni determinati elettroni contribuiscono più o meno fortemente alla conduzione del calore", aggiunge Neb.
Una migliore comprensione del trasporto dell'energia e delle cariche consente un maggiore controllo sui materiali e, quindi, nuove possibilità per i dispositivi optoelettronici su scala nanometrica. Allo stesso tempo, le conoscenze microscopiche sulla conduzione del calore a livello atomico sono un punto di partenza per lo sviluppo di componenti elettronici ancora più piccoli ed efficienti.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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