Università di Trieste: Proprietà quantistiche delle vibrazioni nei cristalli
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Trieste, 9 febbraio 2016 - Lo scorso dicembre sulla prestigiosa rivista "Nature Communications" è stato pubblicato uno studio effettuato da una collaborazione tra fisici sperimentali e teorici del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trieste. Il gruppo di ricercatori ha messo a punto delle tecniche per studiare le proprietà quantistiche delle vibrazioni prodotte dalla luce laser in alcuni tipi di cristalli.
Le vibrazioni dei cristalli sono estremamente rapide, mille miliardi ogni secondo, con una durata temporale molto breve. Per studiarle nei dettagli è quindi necessario usare delle tecniche particolari, basate su impulsi di luce laser molto ravvicinati nel tempo, capaci di fornire fotografie multiple del comportamento delle vibrazioni nel materiale cristallino. La sofisticata strumentazione necessaria per realizzare questi studi è stata messa a punto nel Laboratorio T-Rex presso il Sincrotrone di Basovizza, diretti da Fulvio Parmigiani e Daniele Fausti del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trieste.
Gli studi fino ad ora condotti in questo campo si sono limitati all’analisi dei comportamenti semiclassici delle vibrazioni nei cristalli, trattate come semplici onde elastiche. La novità del risultato pubblicato su Nature Communications riguarda invece la possibilità di studiare le proprietà quantistiche, microscopiche di queste vibrazioni, prendendo come base un cristallo di quarzo. Il cristallo viene inizialmente colpito da un intenso impulso di luce laser capace di metter in vibrazione il materiale; le vibrazioni vengono poi analizzate tramite successivi ulteriori impulsi, meno intensi del primo, che forniscono delle vere e proprie istantanee del comportamento del cristallo stesso. È la cosiddetta tecnica chiamata in gergo di "pump and probe", cioè "colpisco e studio": si eccita il cristallo colpendolo col primo impulso laser e poi a vari tempi successivi si cerca di analizzare come di fatto abbia reagito.
L’elaborazione e interpretazione dei dati raccolti durante l’esperimento richiede la formulazione di un modello teorico che spieghi come la luce laser interagisce con le vibrazioni del cristallo di quarzo. A livello microscopico sia la luce laser che le vibrazioni nel cristallo assumono delle caratteristiche corpuscolari e vengono descritte come vere e proprie particelle, i "fotoni" per quanto riguarda la luce e i "fononi" per le vibrazioni. Il Gruppo teorico del Dipartimento di Fisica diretto da Fabio Benatti ha elaborato un modello completo di come fononi e fotoni interagiscono fra loro, permettendo la ricostruzione accurata del comportamento delle vibrazioni nel cristallo di quarzo.
La sinergia tra i due gruppi, in particolare con il contributo dei dottorandi di ricerca Martina Esposito per la parte sperimentale e Kelvin Titimbo per quella teorica, ha portato allo sviluppo di tecniche in grado di identificare particolari stati della materia in vibrazione che sono stati predetti ma non ancora rivelati con certezza. La comprensione delle peculiari proprietà quantistiche, cioè microscopiche di queste vibrazioni apre la strada alla studio dei comportamenti della materia alle scale spaziali dei miliardesimi di metro (nanometri) e temporali dei millesimi di miliardesimo di secondo (picosecondi). Capire come si comporta la materia a tali scale risulta essenziale per il progresso delle nanotecnologie, sempre di più al centro di recenti avanzamenti tecnologici.
