A Two-Dimensional Crystal of Strongly Interacting Superatoms

Per secoli, gli scienziati hanno compreso che il mondo solido è costruito da atomi, minuscole particelle che si legano tra loro per formare cristalli con schemi ripetitivi. In questi schemi, gli atomi sono così piccoli e si muovono così velocemente che osservare la loro formazione di un cristallo è come cercare di guardare una singola goccia di pioggia cadere durante una tempesta; il processo avviene troppo rapidamente per essere visto. Per capire come crescono i cristalli, i ricercatori hanno a lungo immaginato di utilizzare blocchi costruttivi più grandi che agiscano come atomi, ma che si muovano abbastanza lentamente da poter essere osservati. Essi chiamano questi blocchi più grandi "superatomi". Questi non sono singoli atomi, ma cluster precisi di molti atomi che si tengono insieme così strettamente da comportarsi come un'unica unità più grande con la propria personalità elettronica. La sfida è stata far sì che questi superatomi si attaccassero l'uno all'altro con forza sufficiente da formare un vero cristallo, piuttosto che limitarsi a fluttuare pigramente o a sfaldarsi.

Un team di ricercatori ha ora avuto successo nel creare un cristallo bidimensionale piatto composto interamente da questi superatomi e, per la prima volta, ha osservato i blocchi costruttivi muoversi, legarsi e ripararsi in tempo reale. Gli scienziati hanno lavorato con cluster composti da palladio e selenio, nello specifico gruppi contenenti sei atomi di palladio circondati da venti o ventuno atomi di selenio. Questi cluster sono massicci rispetto a un singolo atomo, pesando oltre duemila volte più di un atomo di idrogeno. Poiché sono così pesanti, si muovono molto più lentamente degli atomi ordinari, permettendo ai ricercatori di filmare la loro assemblaggio utilizzando un potente microscopio elettronico. Il team ha scoperto che questi cluster non si limitano a stare vicini tra loro; si legano con una forza simile ai legami chimici che tengono uniti gli atomi nei metalli, formando un reticolo stabile e ripetitivo.

I ricercatori hanno iniziato creando un film sottile di materiale amorfo, o disordinato, contenente la giusta miscela di palladio e selenio. Per evitare che il materiale perdesse i suoi atomi di selenio durante il processo di riscaldamento, hanno "sandwichato" il film tra due strati di grafene, un materiale composto da un singolo strato di atomi di carbonio. Hanno poi utilizzato un laser a bassa potenza per riscaldare delicatamente un piccolo punto di questo sandwich, causando la cristallizzazione del materiale disordinato nella struttura superatomica. Quando hanno osservato il risultato con un microscopio ad alta risoluzione, hanno visto una griglia perfetta di punti luminosi. Ogni punto rappresentava un singolo cluster di superatomi. Analizzando la luminosità e la disposizione di questi punti, il team ha confermato che i cluster erano disposti in un modello specifico e ripetitivo, proprio come le piastrelle di un pavimento, ma con una spaziatura di circa 8,64 angstrom tra ogni unità.

All'interno di questo cristallo, i superatomi non sono tutti identici. I ricercatori hanno scoperto due tipi principali di cluster: uno con un centro cavo e un altro con un atomo di selenio che riempie quel centro. Nonostante queste differenze interne, essi si legano fortemente. La distanza tra i bordi di cluster vicini è di circa 3,50 angstrom, un intervallo troppo piccolo perché siano tenuti insieme da deboli forze passive, ma troppo grande per un normale legame atomico. I calcoli suggeriscono che i cluster siano tenuti insieme da un mix di legame chimico e forze più deboli, creando un'energia di legame abbastanza forte da mantenere intatto il cristallo. Questo legame conferisce al materiale proprietà metalliche, il che significa che può condurre elettricità, una differenza significativa rispetto alla versione massiva di questo materiale che agisce come un semiconduttore.

Ci ciò che rende questa scoperta davvero unica è la capacità di guardare il cristallo crescere e guarire. Poiché i superatomi sono così massicci, il loro movimento è abbastanza lento da essere catturato in un video. I ricercatori hanno osservato singoli cluster staccarsi da un gruppo e vagare sulla superficie prima di riattaccarsi. Hanno anche osservato piccoli gruppi di cluster avvicinarsi a un cristallo più grande, ruotare per allinearsi con esso e poi incastrarsi in posizione, crescendo effettivamente il cristallo un blocco alla volta. Questo processo, che avviene in frazioni di secondo per gli atomi normali, avviene nell'arco di diversi secondi in questo sistema, permettendo agli scienziati di vedere le esatte fasi di nucleazione e crescita.

Il team ha anche osservato che i cristalli superatomici soffrono degli stessi difetti dei cristalli ordinari. Hanno trovato spazi vuoti dove mancava un cluster, linee dove il modello era spostato e confini dove due diverse regioni cristalline si incontravano. Quando i ricercatori hanno esposto il materiale al fascio di elettroni per un periodo prolungato, hanno osservato questi confini guarire. Due grani cristallini si sono ruotati e sono confluite in un unico grano più grande, lasciando dietro di sé solo tracce deboli del confine originale. Questa capacità di osservare la nascita, la crescita e la riparazione di un cristallo al livello dei suoi componenti fondamentali fornisce una rara finestra sulla fisica di come si forma la materia solida. Rallentando il processo a una scala visibile all'uomo, i ricercatori hanno creato un sistema modello che potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere le regole fondamentali della cristallizzazione, non solo per questi specifici cluster, ma per i cristalli atomici che compongono il mondo che ci circonda.