Un cristallo è un solido costituito da atomi, molecole o ioni con una disposizione geometrica regolare, che si ripete indefinitamente nelle tre dimensioni spaziali. I singoli cristalli sono di dimensioni microscopiche e i minerali cristallini sono normalmente composti da molti cristalli (cristalliti). La cristallografia si occupa dello studio e della descrizione della struttura cristallina. È stato dimostrato che lanciando vibrazioni particolarmente intense in un cristallo mediante un laser, l’interazione tra queste vibrazioni può dare origine a oscillazioni della materia nella sua struttura atomica, a frequenze mai prodotte se non con questo metodo, che potrebbero aprire la strada a nuove proprietà nei materiali
Un gruppo di ricercatori composto da fisici sperimentali e teorici del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trieste hanno messo a punto delle tecniche per studiare le proprietà quantistiche delle vibrazioni prodotte dalla luce laser in alcuni tipi di cristalli raccolte in uno studio pubblicato lo scorso dicembre sulla rivista “Nature Communications”.
Considerata la rapidità e la ridotta durata temporale delle vibrazioni cristalline, nell’ordine dei mille miliardi ogni secondo, è necessario usare delle tecniche particolari che si basano su impulsi di luce laser molto ravvicinati nel tempo, in grado di fornire fotografie multiple del comportamento delle vibrazioni nel materiale cristallino.
La strumentazione necessaria per realizzare questi studi avanzati 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. La novità dello studio pubblicato su Nature Communications concerne invece le proprietà quantistiche di queste vibrazioni, ottenute utilizzando un cristallo di quarzo che viene inizialmente colpito da un intenso impulso di luce laser in grado di mettere in vibrazione il materiale. L’analisi delle vibrazioni è effettuata attraverso ulteriori impulsi laser meno intensi, a vari tempi successivi, con il risultato di ottenere delle vere e proprie istantanee del comportamento del cristallo stesso, con una tecnica che viene chiamata “pump and probe” (colpisco e studio) che permette di analizzare la reazione del cristallo.
L’esperimento ha richiesto la formulazione di un modello teorico per spiegare l’interazione del laser con il cristallo di quarzo che consenta l’elaborazione e l’interpretazione dei dati ottenuti. A livello microscopico sia la luce laser che le vibrazioni nel cristallo assumono caratteristiche corpuscolari descritte come vere e proprie particelle chiamate “fotoni” nel caso della luce e “fononi” per le vibrazioni. Il modello elaborato dal gruppo teorico del Dipartimento di Fisica diretto da Fabio Benatti descrive l’interazione tra come fononi e fotoni, permettendo la ricostruzione accurata del comportamento delle vibrazioni nel cristallo di quarzo.
Grazie alla sinergia tra i gruppi di fisici ed il contributo di Martina Esposito per la parte sperimentale e Kelvin Titimbo per quella teorica, sono state sviluppate le tecniche necessarie per identificare gli stati della materia in vibrazione. La cognizione delle peculiari proprietà quantistiche apre la strada allo studio dei comportamenti della materia alle scale spaziali dei miliardesimi di metro (nanometri) e temporali dei millesimi di miliardesimo di secondo (picosecondi) e potrebbe essere un passo essenziale per il progresso delle nanotecnologie.