Ultrafast Dissipative Localization of Electronic Energy in AuPt Superlattices
Questo studio dimostra che i superreticoli metallici AuPt localizzano rapidamente l'energia ottica assorbita all'interno degli atomi di platino su una scala temporale di femtosecondi, indipendentemente dalla lunghezza d'onda di eccitazione iniziale, sfruttando la grande capacità termica elettronica del platino e il rapido trasporto interfacciale per guidare i fononi reticolari coerenti.
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Nel mondo microscopico dei metalli, l'energia non sempre rimane dove viene inizialmente depositata. Quando un impulso laser colpisce la superficie di un metallo, eccita gli elettroni, creando un'ondata di calore che gli scienziati devono tracciare per capire come si comportano i materiali sotto stress estremo. Questo campo, noto come scienza dei materiali ultrafast, si concentra su ciò che accade nei trilionesimi di secondo dopo che la luce colpisce una superficie. Un concetto chiave in questo ambito è che diversi metalli immagazzinano il calore in modi differenti. Alcuni metalli, come il platino, hanno una capacità molto maggiore di trattenere l'energia elettronica rispetto ad altri, come l'oro, anche se si trovano alla stessa temperatura. Questa differenza significa che se due metalli vengono premuti l'uno contro l'altro, l'energia potrebbe fluire naturalmente da uno all'altro, non a causa di una differenza di temperatura, ma perché un materiale ha semplicemente più spazio per immagazzinare l'energia. Comprendere come questa energia si muove e si assesta è vitale per sviluppare l'elettronica più veloce e reazioni chimiche più efficienti guidate dalla luce.
I ricercatori hanno ora osservato questa ridistribuzione dell'energia in un superreticolo oro-platino, una struttura composta da strati alternati dei due metalli, ciascuno spesso solo pochi nanometri. Il team, guidato da scienziati provenienti da istituzioni della Germania e della Svezia, si è posto l'obiettivo di vedere se la posizione finale dell'energia dipendesse da dove la luce laser colpisse inizialmente il campione. Hanno progettato un esperimento in cui potevano far incidere luce di due colori diversi sullo stesso campione. Un colore, a 800 nanometri, viene assorbito quasi interamente dagli strati di platino. L'altro colore, a 400 nanometri, viene assorbito quasi equamente sia dall'oro che dal platino. Se l'energia fosse rimasta dove era stata inizialmente assorbita, i due colori avrebbero dovuto produrre risultati molto diversi. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che l'esito era identico indipendentemente dal colore utilizzato.
Per vedere cosa stesse accadendo all'interno del metallo, gli scienziati hanno utilizzato una tecnica chiamata diffrazione a raggi X ultrafast. Questo metodo agisce come una telecamera ad alta velocità in grado di scattare foto del reticolo atomico mentre si muove. Quando il laser colpisce il campione, crea un'onda di pressione, o un'onda sonora, che viaggia attraverso gli strati. Poiché gli strati di oro e platino sono così sottili e disposti in un modello ripetitivo, questa onda crea una vibrazione specifica a una frequenza di 570 gigahertz. I ricercatori hanno misurato la forza di questa vibrazione osservando come l'intensità delle riflessioni dei raggi X cambiasse nel tempo. Hanno scoperto che la vibrazione era altrettanto forte quando l'energia era divisa equamente tra i due metalli, quanto quando l'energia era concentrata solo sul platino.
Questo risultato rivela un processo di auto-organizzazione rapido e potente. Entro pochi centinaia di femtosecondi, l'energia che era stata inizialmente distribuita tra entrambi i metalli è precipitata verso gli strati di platino. Ciò è accaduto perché il platino ha una capacità termica elettronica molto più grande, il che significa che può trattenere più energia a una data temperatura rispetto all'oro. Man mano che gli elettroni nei due metalli raggiungevano una temperatura comune, l'energia si concentrava naturalmente nel platino per riempire la sua maggiore capacità di stoccaggio. Questa concentrazione improvvisa ha creato uno squilibrio di pressione all'interfaccia tra l'oro e il platino, che ha guidato la vibrazione. I ricercatori hanno confermato attraverso simulazioni al computer che questo effetto era guidato dal movimento degli elettroni e dalla conseguente pressione, e non dal movimento più lento del calore attraverso il reticolo atomico.
Lo studio esclude efficacementamente l'idea che il modello iniziale di assorbimento della luce determini il paesaggio energetico finale in queste strutture. Invece, il paesaggio energetico è modellato dinamicamente dalle proprietà materiali dei metalli stessi. Il platino agisce come un pozzo, attirando l'energia così rapidamente che la distribuzione iniziale diventa irrilevante entro una frazione di picosecondo. Questo processo è così veloce che crea uno squilibrio di stress prima ancora che le vibrazioni atomiche possano completare un singolo ciclo. Le scoperte suggeriscono che scegliendo materiali con capacità termiche specifiche, gli scienziati possono controllare dove va l'energia su scala nanometrica, indipendentemente da come la luce viene erogata. Questa capacità di dirigere il flusso di energia su una scala così piccola e veloce potrebbe essere utile per progettare nuovi tipi di materiali per la spintronica e per controllare le reazioni chimiche con la luce.
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