TRIESTE CITTÀ DELLA CONOSCENZA

Trasformare i materiali con un impulso luminoso

In una collaborazione con l’ateneo francese Paris-Sud a Orsay, la SISSA pone le basi teoriche per lo studio di nuovi stati della materia, attraverso la manipolazione con impulsi laser.

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Colpiti da un impulso laser molto intenso e molto breve, alcuni materiali si modificano in modo inaspettato. Crediti immagine: Public Domain

TRIESTE CITTA’ DELLA SCIENZA – Uno dei risultati più interessanti della scienza è riuscire a spiegare le ragioni di un fenomeno controintuitivo. Capire perché non accade ciò che ci aspettiamo apre spesso la strada a nuove prospettive di ricerca.
È quello che è accaduto alla SISSA di Trieste, dove un gruppo di ricercatori guidati da Michele Fabrizio ha posto le basi teoriche di un fenomeno inaspettato, osservato sperimentalmente dal gruppo dell’Università di Paris-Sud. I ricercatori hanno notato che colpendo con un impulso laser molto intenso e molto breve un certo materiale – in questo caso il triossido di divanadio (V2O3) – questo non diventava più “soffice”, come ci si sarebbe aspettati se l’effetto della luce fosse semplicemente scaldare il campione, bensì più duro, e presentava proprietà metalliche, cioè aumentava la sua conduttività. Insomma, in questo caso il sistema non si comporta come quando mettiamo un cibo preso dal freezer nel forno a microonde rendendolo più morbido, ma esattamente al contrario.

La risposta a questo fenomeno controintuitivo risiede nel fatto che la luce è assorbita in quanti dalla materia e quindi, all’inizio, agisce selettivamente creando ben determinate perturbazioni nel campione. Solo dopo un certo lasso di tempo la materia si rilassa e l’effetto diventa in tutto simile a scaldare il campione. Invece, in un intervallo di tempo appena dopo l’applicazione dell’impulso, le sue proprietà possono essere completamente diverse da quelle osservate all’equilibrio termico. Portare velocemente il sistema in uno stato non di equilibrio termico fa sì che si manifestino proprietà altrimenti non osservabili. La ricerca è stata pubblicata su Nature Communications.

“L’esperimento in questione è un pump and probe – spiega Michele Fabrizio – una tecnica utilizzata già da diversi anni dove un campione di materiale è colpito da un impulso laser molto intenso e brevissimo, della durata di un milionesimo di miliardesimo di secondo (femtosecondo), che permette di mandare velocemente il sistema in uno stato diverso da quello di equilibrio. Dopo l’impulso il sistema inizia a rilassarsi, ed è lì che ne studiamo le caratteristiche.”

Le premesse sono particolarmente interessanti per futuri sviluppi applicativi, specie nel campo dell’ottica e dell’elettronica. Il fatto per esempio di esprimere proprietà metalliche, e quindi una migliore conduttività, potrebbe essere determinante nel permettere in futuro agli scienziati di controllare le proprietà conduttive di un materiale per la costruzione di memorie digitali. “Una memoria digitale funziona a due stati – spiega Fabrizio – uno che conduce (acceso) e uno che non conduce (spento). Oggi la modulazione fra questi due bit si ottiene utilizzando materiali semiconduttori, ma in futuro chissà, potremmo usare sistemi come questi controllati da impulsi laser brevissimi e molto intensi.”

“Le applicazioni di questa metodologia sono potenzialmente molte – prosegue Fabrizio – ma al momento ci scontriamo con due problemi: non siamo ancora in grado di stabilizzare il sistema in queste particolari condizioni, e soprattutto dobbiamo studiare la possibilità di rendere il sistema reversibile.” Inoltre, l’evidenza che nuovi stati della materia, assenti in condizioni di equilibrio termico, emergano fuori equilibrio dopo dell’applicazione di un intenso impulso di luce apre nuove prospettive nello studio e nell’applicazione dei materiali.

michele-fabrizioCarta d’identità
Nome: Michele Fabrizio
Età: 52 anni
Nato a: Roma (ma originario di Matera)
Lavoro a: Trieste presso la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA)
Formazione: Laurea presso l’Università degli Studi di Roma “La Sapienza”, dottorato alla SISSA, post-dottorato in Francia
Istituto: Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA)

Il mio gruppo di ricerca: Il mio gruppo di ricerca comprende studenti di dottorato e post-doc. Nel caso specifico di questo lavoro, il mio collaboratore locale era Daniel Grieger, allora post-doc su fondi di un progetto finanziato dalla UE nell’ambito del VII programma quadro.
Cosa amo di più del mio lavoro: La necessità di risolvere problemi pratici che nascono in ambiti sperimentali creando modelli astratti ed elaborando tecniche e approssimazioni per studiarli.
La sfida principale nel mio ambito di ricerca: Lo studio di modelli complessi a molti-corpi in condizioni di non-equilibrio.

@CristinaDaRold

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Cristina Da Rold
Giornalista freelance e consulente nell'ambito della comunicazione digitale. Soprattutto in rete e soprattutto data-driven. Lavoro per la maggior parte su temi legati a salute, sanità, epidemiologia con particolare attenzione ai determinanti sociali della salute, alla prevenzione e al mancato accesso alle cure. Dal 2015 sono consulente social media per l'Ufficio italiano dell'Organizzazione Mondiale della Sanità. Il mio blog: www.cristinadarold.com Twitter: @CristinaDaRold

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