Arriva dall’Università della California e dell’Università di Kassel, in Germania, una nuova tecnica laser capace di rallentare – e in parte “congelare” – il rapidissimo processo di fusione del silicio. Il risultato potrebbe aprire nuove strade per il controllo del comportamento dei materiali in condizioni estreme e per affinare gli esperimenti che studiano il trasferimento di energia nei solidi.
Quando un impulso laser di grande intensità colpisce il silicio, gli atomi possono perdere il loro ordine in appena frazioni di trilionesimo di secondo, un fenomeno noto come fusione non termica. In questo caso il materiale collassa prima che il calore possa diffondersi, a causa della rottura diretta dei legami atomici. Gli scienziati hanno dimostrato che un singolo impulso di questo tipo è sufficiente a innescare la fusione istantanea, ma hanno anche trovato il modo di fermare il processo a metà, mantenendo il materiale in una forma solida instabile ma funzionale.
Il segreto è nel tempismo, poiché dividendo il raggio laser in due impulsi e distanziandoli di 126 femtosecondi (ossia 0,000000000000126 secondi), il primo impulso avvia il movimento degli atomi, mentre il secondo lo interrompe prima che l’ordine atomico venga perso del tutto. Il materiale resta così in uno stato metastabile che conserva gran parte delle proprietà elettroniche originali, compreso un gap energetico leggermente ridotto, parametro fondamentale per la conduzione elettrica.
Le simulazioni, condotte con un approccio di ab initio molecular dynamics basato sui principi fondamentali della fisica, hanno anche rivelato che le vibrazioni atomiche in questo stato “bloccato” sono più fredde e stabili del previsto. In altre parole, il secondo impulso agisce come una sorta di freno di precisione, impedendo alla struttura di collassare.
Oltre al fascino teorico, questa scoperta potrebbe avere implicazioni concrete per la fisica dello stato solido e per la creazione di nuove fasi della materia. Potrebbe, per esempio, permettere di distinguere con maggiore chiarezza tra effetti termici e non termici nei materiali colpiti da laser, migliorando la precisione nella determinazione delle costanti di accoppiamento elettrone-fonone, essenziali per capire come energia e vibrazioni atomiche interagiscono.
Gli autori sottolineano che il metodo, pubblicato sulla rivista Communications Physics, non è limitato al silicio: in linea di principio potrebbe essere adattato ad altri materiali con comportamenti simili. L’obiettivo a lungo termine sarà usare questo approccio per manipolare in tempo reale la struttura atomica e le proprietà elettroniche di un materiale, aprendo scenari interessanti sia nella ricerca di base sia in ambiti tecnologici dove precisione e tempi di reazione estremamente rapidi sono determinanti.
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