La ricerca nel campo dei materiali quantistici ha compiuto un passo avanti significativo grazie all’innovativo utilizzo di impulsi laser temporizzati da parte dei ricercatori di JILA e dell’Università del Colorado a Boulder. Questa nuova tecnica fornisce una comprensione più approfondita del comportamento dei materiali quantistici, contribuendo all’esplorazione dei meccanismi alla base della superconduttività.
Per progettare materiali con proprietà uniche, come la superconduttività, gli scienziati si immergono nelle interazioni quantistiche tra elettroni e particelle vibrationali chiamate fononi. Quando elettroni e fononi interagiscono fortemente, si comportano come particelle “quasi”, non come singole particelle isolate. Queste interazioni avvengono su scale temporali estremamente brevi: gli elettroni interagiscono tra loro in femtosecondi (10^-15 secondi) o anche più velocemente, mentre i fononi rispondono più lentamente, nell’ordine di centinaia di femtosecondi, poiché gli atomi più pesanti si muovono più lentamente degli elettroni.
Per indagare queste interazioni, gli scienziati spesso modificano la temperatura, la pressione o la composizione chimica di un materiale e ne misurano le proprietà elettriche per apprendere informazioni sulle interazioni. Tuttavia, materiali che ospitano interazioni diverse possono esibire proprietà molto simili, rendendo difficile individuare la natura esatta di queste interazioni.
Per superare questo problema, Yingchao Zhang, studente di dottorato presso JILA, lavorando con i colleghi Henry Kapteyn e Margaret Murnane e il professore di fisica dell’Università del Colorado a Boulder Rahul Nandkishore, ha utilizzato un potente nuovo metodo per identificare con precisione le interazioni fononiche all’interno dei materiali quantistici. Utilizzando impulsi laser ultraprecisi e temporizzati, e impulsi ultravioletti estremi, hanno misurato i tempi di risposta e osservato esattamente come interagiscono elettroni e fononi. Questo metodo apre la strada a un migliore controllo e manipolazione dei materiali quantistici.
In questo nuovo studio, i ricercatori hanno confrontato come gli elettroni in due materiali diversi hanno risposto dopo essere stati delicatamente perturbati dalla luce: (TaSe4)2I e Rb0.3MoO3, noto anche come bronzo blu di rubidio. Questi materiali sono unidimensionali (1D) perché, come mostrato nella figura corrispondente, hanno legami forti lungo una direzione, con legami più deboli in una direzione perpendicolare. Questo costringe elettroni e fononi a interagire fortemente tra loro, rendendo le proprietà di questi materiali molto dipendenti dai fenomeni quantistici.
Storicamente, si pensava che entrambi i materiali avessero un piccolo gap isolante prodotto dall’accoppiamento tra elettroni e fononi, chiamato polaron. Questo gap isolante può creare problemi quando si cerca di comprendere le interazioni quantistiche all’interno dei polarons, poiché diventa difficile stimolare qualsiasi interazione all’interno del materiale.
Tuttavia, un recente studio dell’Università di Stanford, svolto in parallelo con questo lavoro sperimentale, suggerisce che il gap isolante in alcuni materiali potrebbe essere prodotto invece dall’interazione di polarons per produrre bipolarons (o coppie di polaron). Poiché i piccoli bipolarons condividono proprietà simili ai bosoni, una particella fondamentale, alcuni esperti hanno teorizzato che i bipolarons potrebbero creare un tipo di condensato di Bose-Einstein (BEC), che potrebbe essere un meccanismo per la superconduttività nel materiale.
I ricercatori di JILA e CU Boulder hanno sottolineato che il loro esperimento potrebbe essere spiegato naturalmente in questo scenario bipolaronico, indicando che il materiale (TaSe4)2I è un isolante bipolaronico. “È un ottimo esempio di come la teoria e l’esperimento, lavorando insieme, possano portare a nuove intuizioni”, ha spiegato Nandkishore.
Per fare ciò, il team ha utilizzato impulsi laser ultrafast per eccitare delicatamente diversi elettroni all’interno dei due materiali. Quindi, un impulso UV estremo ultrafast, con una lunghezza d’onda dieci volte più corta della luce visibile, è stato utilizzato per vedere esattamente dove gli elettroni erano eccitati in energia e posizione. Tracciando l’energia e la posizione degli elettroni eccitati, i ricercatori hanno potuto vedere le firme dei bipolarons che si scioglievano in singoli polarons in (TaSe4)2I.
Oltre a comprendere quali interazioni danno origine al gap isolante, i ricercatori hanno anche osservato tempi di rilassamento diversi nei loro due materiali. Il tempo di rilassamento, o il tempo necessario affinché un materiale si riprenda da stress, calore o luce, varia in base alle interazioni quantistiche all’interno del materiale.
In (TaSe4)2I, gli atomi nella griglia devono riorganizzarsi mentre i bipolarons si sciolgono in singoli polarons. Questo processo richiede circa 250 femtosecondi, seguiti da un lento rilassamento allo stato fondamentale bipolaronico entro 1500 femtosecondi, come mostrato nella figura corrispondente.
“La capacità di vedere la posizione degli elettroni eccitati e misurare i loro tempi di rilassamento fornisce nuove intuizioni sulle interazioni microscopiche in questi materiali, inaccessibili alle tecniche sperimentali tradizionali”, ha aggiunto Nandkishore.
Al contrario, gli elettroni in Rb0.3MoO3 hanno risposto e si sono rilassati dieci volte più velocemente in risposta alla luce (in circa 60 femtosecondi), mostrando chiaramente che le interazioni tra elettroni devono essere responsabili del gap isolante in quel materiale 1D. Questo tempo di rilassamento più veloce sembra coerente con una diversa teoria fisica nota come teoria del liquido di Luttinger.
In un liquido di Luttinger, gli elettroni si muovono più come una folla a un concerto invece di muoversi come individui. Interagiscono fortemente tra loro e formano un tipo di comportamento collettivo. Questo comportamento collettivo fa sì che il liquido si comporti come un isolante, rifiutando di condurre una corrente elettrica.
Questo nuovo metodo, dimostrato dai ricercatori di JILA e CU Boulder, può anche essere utilizzato per rivelare la natura delle interazioni dei quasiparticelle quantistici in altri materiali, come i superconduttori e i materiali bidimensionali (2D).
