Un recente studio pubblicato su Nature rivela un fenomeno straordinario: gli atomi all’interno di materiali ultrasottili danzano in risposta a impulsi di luce, torcendosi e srotolandosi come ballerini sincronizzati. Questa intricata coreografia si svolge alla velocità della luce – sulla scala di un trilionesimo di secondo – rendendola invisibile a occhio nudo e troppo veloce per essere catturata dagli strumenti scientifici convenzionali.
Per svelare questo balletto atomico, i ricercatori della Cornell University e della Stanford University si sono rivolti alla diffrazione elettronica ultraveloce. Questa tecnica all’avanguardia utilizza raffiche incredibilmente brevi di elettroni sparati su un campione immediatamente dopo che un impulso laser lo ha colpito. Pensala come una telecamera ad altissima velocità fissata su momenti specifici durante la danza. Analizzando il modo in cui questi strati atomici diffondono gli elettroni, gli scienziati possono ricostruire il loro movimento nel tempo.
Oggetto di questa performance atomica è un tipo speciale di materiale noto come materiale moiré. Questi materiali sono costruiti impilando fogli estremamente sottili – spessi solo pochi atomi – uno sopra l’altro con lievi disallineamenti. Questo offset apparentemente minore crea proprietà uniche che possono essere ottimizzate regolando ulteriormente l’angolo tra gli strati.
“Immaginiamo di impilare due pezzi di carta con una leggera torsione”, spiega Jared Maxson, professore di fisica alla Cornell e co-autore corrispondente dello studio. “Il modo in cui si sovrappongono crea motivi interessanti – motivi moiré – e questi motivi influenzano il comportamento del materiale.”
Queste proprietà possono essere manipolate per far sì che i materiali agiscano come superconduttori – consentendo all’elettricità di fluire con resistenza pari a zero – o creare comportamenti elettronici insoliti, aprendo le porte a innovazioni nell’elettronica quantistica e altre tecnologie all’avanguardia.
In precedenza, gli scienziati credevano che, una volta impilati ad angolo fisso, la struttura di questi materiali moiré rimanesse statica. Tuttavia, questa ricerca innovativa mostra che gli atomi all’interno di queste strutture stratificate sono tutt’altro che rigidi. Invece, mostrano un movimento dinamico, attorcigliandosi brevemente e più strettamente dopo l’esposizione alla luce prima di scattare indietro, proprio come una molla compressa che rilascia la sua energia.
“Questa scoperta sfida le ipotesi precedenti”, aggiunge Fang Liu, responsabile del progetto a Stanford e co-autore corrispondente. “Abbiamo visto che gli atomi all’interno di queste cellule unitarie moiré si comportano quasi come una danza in cerchio.”
Il successo di questo esperimento è dipeso sia dallo sviluppo di materiali specializzati da parte del team di Liu a Stanford, sia dallo strumento di diffrazione elettronica ultraveloce costruito in casa dalla Cornell, dotato di un rilevatore altamente sensibile chiamato EMPAD.
L’EMPAD, originariamente progettato per catturare immagini fisse, è stato riproposto in questo studio per agire come una fotocamera incredibilmente veloce in grado di catturare questi fugaci movimenti atomici. “La maggior parte dei rilevatori avrebbe offuscato il segnale”, afferma Maxson. “L’EMPAD ci ha permesso di vedere caratteristiche incredibilmente sottili che avrebbero potuto facilmente andare perse.”
Questo sforzo di collaborazione segna una pietra miliare significativa nella nostra comprensione dei materiali moiré. Dimostra la potenza della diffrazione elettronica ultraveloce per visualizzare fenomeni su scala nanometrica e apre strade entusiasmanti per manipolare il comportamento quantistico in tempo reale utilizzando la luce. Gli esperimenti futuri esploreranno il modo in cui diversi materiali e angoli di torsione rispondono agli impulsi luminosi, aprendo la strada a progressi potenzialmente rivoluzionari in campi che vanno dalla superconduttività al calcolo quantistico.
