Cos’è la materia quantistica?

Per comprendere l’importanza di questa scoperta è utile capire cosa sono i materiali quantistici. Pensa a questi materiali come ai “camaleonti” della scienza dei materiali. Il loro comportamento può cambiare radicalmente a seconda delle condizioni a cui sono esposti.

Alcuni materiali, ad esempio, possono comportarsi come isolanti, ovvero non lasciano passare la corrente elettrica, come un muro che blocca i passanti. Altri materiali possono comportarsi come i metalli, consentendo all’elettricità di fluire liberamente, come una strada aperta per le automobili.

La cosa sorprendente è che questi materiali possono cambiare il loro comportamento in risposta ai cambiamenti nel loro ambiente, come temperatura, pressione o altri fattori. Ad esempio, un materiale che in condizioni normali è isolante può diventare un conduttore elettrico se riscaldato.

Comprendere come avvengono queste trasformazioni e le loro proprietà ci aiuta a progettare materiali con proprietà specifiche per usi specifici. Ad esempio, nell’elettronica o nello stoccaggio dell’energia, è importante sapere come un materiale può modificare il suo comportamento per creare dispositivi più efficienti.

Sfida di osservazione: perché è stato così difficile?

Tuttavia, osservare cosa accade a livello atomico quando cambia lo stato della materia è una sfida enorme. Questi processi avvengono molto rapidamente, sulla scala del picosecondo (1 picosecondo = 1 trilionesimo di secondo).

Tuttavia, le tecniche di misurazione tradizionali non sono abbastanza veloci per catturare questi cambiamenti. Per dare un’idea, un picosecondo è una frazione di secondo così piccola che in quel tempo la luce può percorrere solo un terzo di millimetro. Immagina di provare a scattare una foto nitida di un oggetto che si muove molto velocemente!

Nuova tecnologia: velocità dell’otturatore ultraveloce

Per superare questo problema, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica innovativa chiamata analisi della funzione di distribuzione della coppia atomica (PDF) insieme a una sorgente di raggi X molto potente, la Linac Coherent Light Source (LCLS).

Questa struttura genera impulsi di raggi X molto luminosi e molto brevi. È come avere una fotocamera con una velocità dell’otturatore super veloce in grado di catturare movimenti così veloci che nessun’altra fotocamera può vederli.

L’utilizzo di LCLS ha permesso agli scienziati di creare “filmati atomici”, che mostrano come gli atomi in un materiale si muovono mentre cambiano fase. In altre parole, grazie a questa tecnologia, hanno potuto notare dettagli prima invisibili.

Scopri una nuova fase

Utilizzando la tecnologia PDF ultraveloce, gli scienziati hanno scoperto un nuovo stato temporaneo della materia quantistica. Questo nuovo stato si forma brevemente quando un materiale passa da uno stato isolante (dove non conduce elettricità) a uno stato metallico (dove conduce bene l’elettricità).

Immagina di scoprire un livello nascosto in un videogioco che nessuno ha esplorato prima. E questo è ciò che i ricercatori hanno scoperto: uno stato intermedio chiamato… Condizioni quasi stabiliCiò avviene prima che la sostanza si stabilizzi nel suo nuovo stato.

Gli scienziati di Brookhaven hanno utilizzato una nuova tecnica di funzione di distribuzione a coppie ultraveloce (uf-PDF) per studiare la transizione della materia quantistica in una fase fisica precedentemente sconosciuta. Il diagramma sopra mostra come l’assorbimento di un fotone laser provochi un piccolo cambiamento che si propaga attraverso il materiale nel tempo, anziché modificare immediatamente l’intero materiale. Crediti: Jack Griffiths/Brookhaven National Laboratory

Quali sono gli effetti?

Questa scoperta ha importanti implicazioni per molti campi tecnologici. Ad esempio, nel campo della memoria dei computer, i materiali utilizzati devono cambiare fase in modo affidabile e richiedono poca energia per farlo. Comprendendo meglio come avvengono queste trasformazioni e progettando materiali in grado di gestire questi cambiamenti in modo più efficiente, possiamo sviluppare dispositivi elettronici più veloci e affidabili.

I materiali quantistici sono essenziali anche per le tecnologie di stoccaggio dell’energia. Sapere esattamente come si comportano quando cambiano stato potrebbe portare a batterie e supercondensatori più efficienti.

È importante sottolineare che questo successo non sarebbe stato raggiunto senza la stretta collaborazione tra vari ricercatori e istituzioni. Il team di Brookhaven, che ha condotto lo studio, ha lavorato con scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory, della Columbia University, dell’Università del Wisconsin a Madison e di altre istituzioni. Insieme hanno superato le sfide tecniche e metodologiche per raggiungere questa impresa.

Il team è ora pronto a utilizzare e migliorare questa tecnologia PDF ultraveloce, in particolare con il previsto aggiornamento di LCLS a una versione più potente, LCLS-II-HE. Questo aggiornamento creerà immagini più dettagliate dei processi atomici.

fonte : Materiali della natura