Polar vibrational excitations and glass-like response in relaxor PMN
Utilizzando modelli atomistici addestrati su dati di primi principi, questo studio rivela che il disordine composizionale nel relaxor PMN genera un continuum di eccitazioni vibrazionali polari e un picco di bosone di modi quasi localizzati, che collettivamente spiegano la simultanea risposta cristallina e di tipo vetroso del materiale nelle proprietà dielettriche, ottiche e termiche.
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Alcuni materiali sono cristalli rigidi, i cui atomi sono bloccati in file perfette e ripetitive come soldati in una parata. Altri sono vetri, dove gli atomi sono congelati in un caos disordinato, molto simile a una folla di persone fermate a metà passo in una strada trafficata. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che questi due stati si comportano in modo molto diverso quando vengono riscaldati o raffreddati. Ma esiste una terza, enigmatica categoria di materiale che si rifiuta di scegliere. Questi sono chiamati ferroelettrici relaxor. Sotto il microscopio appaiono come cristalli perfetti, eppure, quando vengono raffreddati, iniziano a comportarsi come un vetro, perdendo la loro capacità di rispondere ai campi elettrici in modo prevedibile. Questo strano comportamento li rende incredibilmente utili per sensori e condensatori, ma lascia anche i fisici con un interrogativo senza risposta. Come può un materiale essere allo stesso tempo ordinato e disordinato, e perché questa dualità lo rende così strano?
Un team di ricercatori dell'Università di Princeton ha finalmente iniziato a sbrogliare questo mistero osservando un materiale specifico chiamato PMN. Utilizzando potenti simulazioni al computer che imitano il comportamento dei singoli atomi, hanno scoperto che il segreto risiede in come il disordine interno del materiale si connetta alla sua capacità di vibrare. In un normale cristallo, gli atomi vibrano in schemi ordinati e sincronizzati, e solo alcune vibrazioni specifiche possono interagire con l'elettricità. Nel PMN, tuttavia, il rimescolamento casuale di diversi tipi di atomi rompe questo ordine. Questo disordine costringe ogni singola vibrazione del materiale a diventare elettricamente attiva. Invece di poche note distinte, il materiale produce un ruggito continuo di vibrazioni elettriche attraverso una vasta gamma di frequenze. Questa scoperta spiega perché il materiale risponda ai campi elettrici in un modo in cui nessun cristallo ordinario potrebbe mai fare.
I ricercatori hanno costruito il loro modello insegnando a un computer le regole della fisica per questo materiale, utilizzando dati provenienti da calcoli quantistici di alto livello. Hanno creato una versione digitale del PMN che includeva il modo specifico in cui i suoi atomi sono mescolati: alcune regioni sono perfettamente ordinate, mentre altre sono un groviglio casuale. Hanno poi osservato come questo materiale digitale si comportasse mentre veniva raffreddato da uno stato fluido e caldo a uno stato solido e freddo. Man mano che la temperatura scendeva, il computer mostrava che piccoli cluster di atomi iniziavano ad allineare le proprie direzioni elettriche, ma lo facevano in un modello caotico e congelato che non si stabilizzava mai in un unico ordine. Ciò ha confermato che il comportamento "simile al vetro" del materiale deriva da queste piccole regioni congelate di disordine, che agiscono come una folla congestionata che non può più muoversi liberamente.
Ciò che rende questa scoperta particolarmente significativa è come connette le stranezze elettriche del materiale alle sue proprietà termiche. Le simulazioni hanno rivelato che il disordine nel PMN crea un surplus di vibrazioni a bassa frequenza che non esistono nei cristalli normali. Queste vibrazioni extra non sono i movimenti fluidi e ondulatori del suono che viaggia attraverso un solido. Sono invece piccoli sussulti localizzati, dove piccoli gruppi di atomi si scuotono vigorosamente mentre i loro vicini si muovono appena. I ricercatori hanno scoperto che l'energia di questi sussulti segue una regola matematica molto specifica, che si trova anche nel comune vetro da finestra. Questo eccesso di scuotimento a bassa energia spiega perché il PMN assorbe il calore diversamente dagli altri cristalli, mostrando un picco distinto nella sua capacità termica a temperature appena sopra lo zero assoluto.
Lo studio ha anche chiarito perché il PMN reagisce ai campi elettrici nell'intervallo delle microonde, una banda di frequenza utilizzata nei radar e nelle comunicazioni, mentre i cristalli normali reagiscono solo a frequenze molto più elevate. Poiché il disordine rende ogni vibrazione elettricamente sensibile, il materiale può rispondere a spinte elettriche lente e delicate. In un cristallo normale, gli atomi sono troppo ordinati per sentire queste spinzioni lente; essi reagiscono solo a scosse rapide e ad alta energia. I ricercatori hanno dimostrato che lo spettro continuo di vibrazioni nel PMN permette di assorbire energia attraverso una vasta gamma, creando una risposta fluida e ampia piuttosto che i picchi stretti e netti tipici dei materiali ordinati. Questa risposta continua è la chiave della capacità unica del materiale di immagazzinare e rilasciare energia elettrica in modo efficiente.
Collegando il caos microscopico degli atomi al comportamento macroscopico del materiale, lo studio fornisce un quadro completo del perché i relaxor siano così insoliti. Il disordine non resta semplicemente lì; esso rimodella attivamente il modo in cui il materiale vibra, trasformando ogni vibrazione in un segnale elettrico e creando un surplus di movimenti a bassa energia che mimano il comportamento del vetro. Questo lavoro non si limita a descrivere ciò che accade; esso ne spiega il meccanismo, mostrando che le strane proprietà termiche ed elettriche del PMN sono due facce della stessa medaglia, entrambe guidate dallo stesso disordine sottostante. Sebbene le simulazioni non potessero catturare i movimenti estremamente lenti che avvengono su lunghi periodi, esse sono riuscite a riprodurre con successo il comportamento del materiale ad alte frequenze e temperature, offrendo una spiegazione chiara, atomo per atomo, di un fenomeno che ha lasciato per anni gli scienziati perplessi.
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