Con il laser a raggi X più potente al mondo, un gruppo di ricercatori del centro europeo European XFEL, vicino ad Amburgo, è riuscito a osservare per la prima volta minuscole deformazioni all’interno dei materiali usati nelle celle solari. Un risultato che, secondo gli scienziati, potrebbe aprire la strada a una nuova generazione di dispositivi optoelettronici più efficienti, dai pannelli fotovoltaici agli schermi fino ai sensori di nuova concezione.
La scoperta è stata guidata da Johan Bielecki, ricercatore presso lo strumento SPB/SFX del laboratorio XFEL, grazie a impulsi di luce della durata di pochi femtosecondi, cioè un milionesimo di miliardesimo di secondo. Questi lampi ultrarapidi hanno permesso di catturare in tempo reale le piccolissime variazioni della struttura atomica di un materiale semiconduttore mentre veniva colpito dalla luce. In pratica, per la prima volta è stato possibile “fotografare” la dinamica invisibile che si crea tra elettroni e atomi su scale infinitesimali.
Il fenomeno osservato riguarda le cosiddette coppie elettrone-lacuna. Quando la luce investe un semiconduttore, gli elettroni vengono eccitati e iniziano a muoversi lasciando dietro di sé delle “lacune” cariche positivamente. Entrambi si spostano all’interno del materiale, deformando leggermente il reticolo cristallino che li circonda. Questa deformazione, impercettibile fino a oggi, è stata catturata in esperimenti condotti su un nanocristallo di bromuro di piombo e cesio (CsPbBr₃), grande appena pochi milionesimi di millimetro.
Il risultato più importante è l’identificazione di un nuovo stato quantistico, chiamato eccitone-polaron: una sorta di “impronta” lasciata dalla coppia elettrone-lacuna sugli atomi circostanti. Anche se coinvolge solo pochi atomi, questo stato ha un peso determinante sulle proprietà ottiche ed elettroniche dei materiali, come ha spiegato Zhou Shen del Max Planck Institute di Amburgo, primo autore dello studio.
Secondo gli scienziati, comprendere meglio questi meccanismi è un passo fondametnale nella progettazione di materiali più performanti. Display più luminosi e a basso consumo, sensori ottici ad alta sensibilità e persino componenti per computer quantistici potrebbero trarre vantaggio da queste osservazioni. Non a caso, il lavoro pubblicato sulla rivista ACS Nano è stato definito un vero capolavoro scientifico: la possibilità di osservare direttamente interazioni così veloci e microscopiche rappresenta una svolta per tutta la fisica dello stato solido.
Vale la pena sapere che il laboratorio European XFEL, il più grande laser a raggi X del mondo, gioca un ruolo fondamentale in questa impresa. Le sue strutture sono in grado di produrre fino a 27.000 lampi al secondo, ciascuno capace di illuminare i movimenti degli atomi in modo finora inimmaginabile. Una tecnologia che consente di esplorare i confini dell’interazione tra luce e materia e che potrebbe accelerare la creazione di dispositivi optoelettronici sempre più sofisticati ed efficienti.
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