Dirigendo diverse lunghezze d’onda di luce su un materiale chiamato magnetite, gli scienziati dell’EPFL sono stati in grado di cambiarne lo stato, rendendolo più o meno elettricamente conduttivo. Questa scoperta potrebbe portare allo sviluppo di materiali innovativi per l’elettronica.
La magnetite è il più antico e potente magnete della natura. Utilizzata in elettronica, ha proprietà uniche che l’hanno resa interessante nel campo della spintronica, dove i dispositivi funzionano grazie allo spin degli elettroni piuttosto che al loro flusso o alla corrente elettrica. La magnetite ha anche svolto un ruolo chiave nella comprensione del magnetismo, attirando l’interesse di Einstein e di altri famosi scienziati. Le sue proprietà magnetiche ed elettroniche vengono studiate nei campi del biomagnetismo, della catalisi e del paleomagnetismo.
Recentemente, la ricerca sullo sfruttamento delle sue proprietà di commutazione non di equilibrio ha assunto una nuova dimensione, evidenziando il suo potenziale per le tecnologie d’avanguardia. La storia della magnetite e le sue numerose applicazioni continuano ad affascinare e a stimolare la scoperta scientifica.
"Qualche tempo fa abbiamo dimostrato la possibilità di indurre una transizione di fase inversa nella magnetite", spiega Fabrizio Carbone, fisico dell’EPFL. "È come se si potesse trasformare l’acqua in ghiaccio iniettandovi energia con un laser. È paradossale perché per congelare l’acqua, normalmente bisogna raffreddarla, cioè sottrarle energia".
Fabrizio Carbone è attualmente a capo di un progetto di ricerca volto a chiarire e controllare le proprietà strutturali microscopiche della magnetite durante queste transizioni di fase indotte dalla luce. Lo studio ha scoperto che utilizzando specifiche lunghezze d’onda della luce (colori) per la fotoeccitazione, il sistema può portare la magnetite in distinti stati metastabili non di equilibrio ("metastabile" significa che lo stato può cambiare in determinate condizioni) chiamati "fasi nascoste", rivelando un nuovo protocollo per la gestione delle proprietà dei materiali su tempi ultrarapidi.
I risultati, che potrebbero avere un impatto sul futuro dell’elettronica, sono stati pubblicati sulla rivista PNAS.
Cos’è uno "stato di non-equilibrio" - Uno "stato di equilibrio" è uno stato stabile in cui le proprietà di un materiale non cambiano nel tempo perché le forze al suo interno sono bilanciate. Quando questo equilibrio viene disturbato, il materiale (il "sistema", per essere precisi in termini fisici) entra in uno stato di non-equilibrio, mostrando proprietà che possono essere al limite dell’esotico e dell’imprevedibile.
Le "fasi nascoste" della magnetite
Una transizione di fase è un cambiamento di stato di un materiale dovuto a variazioni di temperatura, pressione o altre condizioni esterne. Un esempio comune è il cambiamento di stato dell’acqua da solida a liquida o da liquida a gassosa quando viene portata a ebollizione.
Le transizioni di fase nei materiali seguono generalmente percorsi prevedibili in condizioni di equilibrio. Ma quando i materiali non sono più in uno stato di equilibrio, possono iniziare a presentare "fasi nascoste", cioè stati intermedi normalmente non accessibili. L’osservazione delle fasi nascoste richiede tecniche avanzate, in grado di catturare cambiamenti rapidi e minimi nella struttura del materiale.
La magnetite (Fe3O4) è un materiale studiato da tempo, noto per la sua intrigante transizione metallo-isolante a bassa temperatura e per la sua capacità di condurre l’elettricità e bloccarla attivamente. Si tratta della cosiddetta transizione di Verwey, che modifica notevolmente le proprietà elettroniche e strutturali della magnetite.
Grazie alla complessa interazione tra la sua struttura cristallina, gli ordini di carica e gli orbitali, la magnetite può subire questa transizione metallo-isolante a circa 125 K.
I laser ultraveloci inducono transizioni nascoste nella magnetite
"Per comprendere meglio questo fenomeno, abbiamo condotto un esperimento in cui abbiamo osservato i movimenti atomici che si verificano durante tale trasformazione", spiega Fabrizio Carbone. Abbiamo scoperto che l’eccitazione laser fa passare il solido in fasi diverse che non esistono in condizioni di equilibrio".
Nell’esperimento sono state utilizzate due lunghezze d’onda: il vicino infrarosso (800 nm) e il visibile (400 nm). Quando viene eccitata da impulsi di luce di 800 nm, la struttura della magnetite viene sconvolta, creando una miscela di regioni metalliche e isolanti. Al contrario, gli impulsi di luce di 400 nm rendono la magnetite un isolante più stabile.
Per seguire i cambiamenti strutturali della magnetite indotti dagli impulsi laser, i ricercatori hanno utilizzato la diffrazione elettronica ultraveloce. Questa tecnica permette di "vedere" i movimenti degli atomi nei materiali su scale temporali inferiori al picosecondo (un picosecondo equivale a un trilionesimo di secondo).
Gli scienziati hanno potuto osservare l’impatto reale delle diverse lunghezze d’onda della luce laser sulla struttura della magnetite su scala atomica.
La struttura cristallina della magnetite è un "reticolo monoclino", in cui la cella unitaria ha la forma di una scatola obliqua, con tre spigoli disuguali e due angoli di 90 gradi.
Quando la luce a 800 nm illumina la magnetite, induce una rapida compressione del reticolo monoclino della magnetite, trasformandola in una struttura cubica. Questo fenomeno avviene in tre fasi nell’arco di 50 picosecondi e implica che nel materiale avvengono complesse interazioni dinamiche. Al contrario, la luce visibile a 400 nm ha provocato l’espansione del reticolo, rafforzando il reticolo monoclino e creando una fase più ordinata - un isolante stabile.
Implicazioni fondamentali e applicazioni tecnologiche
Lo studio rivela che le proprietà elettroniche della magnetite possono essere controllate dall’uso selettivo di diverse lunghezze d’onda della luce. La comprensione di queste transizioni indotte dalla luce fornisce preziose indicazioni sulla fisica fondamentale dei sistemi altamente correlati.
"Il nostro studio apre la strada a un nuovo approccio al controllo della materia su una scala temporale ultrarapida, utilizzando impulsi fotonici adattati", affermano i ricercatori. La possibilità di indurre e controllare fasi nascoste nella magnetite potrebbe avere implicazioni significative per lo sviluppo di materiali e dispositivi sofisticati. Ad esempio, i materiali in grado di passare in modo rapido ed efficiente da uno stato elettronico all’altro potrebbero essere utilizzati nei dispositivi informatici e di memoria di prossima generazione.
Riferimenti
Truc, B., Usaia, P., Pennacchio, F., Berruto, G., Claude, R., Madan, I., Sala, V., LaGrange, T., Vanacore, G. M., Benhabib, S., & Carbone, F. (2024). Generazione ultraveloce di fasi nascoste tramite fotoeccitazione elettronica regolata in energia nella magnetite. PNAS 20 giugno 2024. DOI: 10.1073/pnas.2316438121
