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Una ricerca rivela i meccanismi che guidano le affascinanti transizioni di fase dall’isolante al metallo

Regolare le proprietà di un materiale illuminandolo tramite impulsi luminosi estremamente veloci è un potenziale vantaggio futuro delle interazioni luce-materia. Un progetto finanziato dall’UE ha scoperto nuovi indizi riguardo ai meccanismi che sostengono una transizione di fase del materiale quantistico quando viene eccitato dalla luce.

Ricerca di base

Fin dalla scoperta della natura quantistica di luce e materia, i ricercatori hanno compiuto enormi tentativi per analizzare il fenomeno complesso delle dinamiche derivanti dalle loro interazioni. La comprensione razionale delle interazioni luce-materia ha consentito lo sviluppo di una vasta gamma di tecnologie, tra cui i dispositivi LED e quelli per la raccolta della luce. Inoltre, tale comprensione ha offerto l’opportunità di sintetizzare materiali permeati da nuove proprietà, quali la conduzione elettrica. Il progetto StrongLights, finanziato nell’ambito del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, si è incentrato sullo sviluppo della comprensione in merito agli effetti relativi al bombardamento di un materiale quantistico con impulsi laser ultracorti nel vicino infrarosso e nell’ultravioletto. Nei materiali quantistici, gli elettroni interagiscono con forza con le vibrazioni nel reticolo cristallino e provocano transizioni di fase fotoindotte. «Il nostro obiettivo principale consisteva nell’analizzare i fattori microscopici centrali che disciplinano le transizioni di fase fotoindotte e nel controllarle mediante impulsi luminosi ultraresistenti», osserva Angel Rubio, coordinatore di StrongLights.

Modellare la struttura elettronica di un materiale fotosensibile

I ricercatori hanno condotto calcoli del primo principio per sistemi molecolari periodici. Le analisi delle modifiche strutturali ed elettroniche in determinati materiali su scala nanometrica hanno quasi raggiunto la velocità di elaborazione dei supercomputer. È stata posta particolare attenzione sul cristallo molecolare (MeBr-DCNQI)2Cu, che modifica la sua fase quando viene eccitato dalla luce. Tale sistema a bassa dimensionalità mostra una distorsione analoga a quella di Peierls a basse temperature, passando da una fase isolante a una metallica. Questa osservazione è servita da parametro di riferimento per confrontare la struttura a banda elettronica del cristallo ad alte e basse temperature. Il cristallo ha presentato inoltre una cella unitaria tre volte superiore rispetto a quella ad alte temperature.

I fattori principali che innescano le transizioni di fase fotoindotte

Il gruppo ha dimostrato che le forze di repulsione di Coulomb ricoprono un ruolo importante nella caratterizzazione corretta delle proprietà magnetiche e strutturali del cristallo nella transizione di fase a basse temperature. «Abbiamo dimostrato l’esigenza di un valore di Hubbard (U) sorprendentemente elevato per i sistemi molecolari coniugati (o sistemi pi) affinché sia possibile riprodurre la fase di separazione di carica osservata sperimentalmente a basse temperature», osserva Rubio. Il valore di U dell’interazione di Coulomb sul campo è stato stabilito da metodi standard per tentativi ed errori, nonché da calcoli del primo principio recentemente proposti. Inoltre, i risultati hanno mostrato che è necessario un valore di U non standard per i sistemi coniugati delle molecole organiche del cristallo al fine di localizzare le coppie solitarie. «Sebbene non avessimo calcolato l’accoppiamento specifico elettrone-fonone, abbiamo individuato le modifiche geometriche implicate nelle transizioni di fase fotoindotte del cristallo. Tale passaggio è fondamentale per interpretare i modi vibrazionali che avviano la transizione di fase quando il sistema viene riscaldato o raffreddato», aggiunge Rubio.

Stabilire le proprietà elettroniche negli stati eccitati

I ricercatori hanno esteso i loro metodi approssimati di densità locale per stabilire le proprietà di eccitazione elettroniche del cristallo, quali i momenti di dipolo elettrici e le densità di transizione. Il team ha dimostrato che il loro nuovo schema è fondamentale per stabilire l’accoppiamento dell’eccitone e, quindi, le dinamiche di trasferimento dell’energia d’eccitazione che disciplinano le transizioni di fase dall’isolante al metallo. Il metodo di nuova concezione è stato attuato attraverso l’impiego del codice Octopus. I ricercatori stanno lavorando a tecniche di apprendimento automatico, tra cui la regressione kernel di ridge e le reti neurali profonde, per stabilire gli spettri di eccitazione molecolare in un modo efficiente e prevedibile. «Gli impulsi luminosi ultraresistenti sono strumenti potenti per modificare i materiali fortemente correlati. Abbiamo fatto un passo avanti controllando non solo le proprietà elettroniche dello stato fondamentale, ma anche le dinamiche elettroniche relative allo stato eccitato dei cristalli fotosensibili. Miscelando diversi impulsi luminosi, creiamo nuovi stati metastabili che dimostrano proprietà intriganti, dotati di implicazioni di vasta portata per le scienze dei materiali», conclude Rubio.

Parole chiave

StrongLights, transizioni di fase fotoindotte, metallo, proprietà elettroniche, isolante, impulsi luminosi ultraresistenti, stato eccitato, apprendimento automatico

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