Nei materiali quantistici, l’ordine elettronico raramente si forma in modo uniforme e regolare. Al contrario, spesso si manifesta come schemi complessi che variano da una regione all’altra. Un esempio ben noto è l’onda di densità di carica (CDW), uno stato in cui gli elettroni si organizzano in schemi ripetitivi a basse temperature. Sebbene le CDW siano state studiate per molti anni, i ricercatori hanno faticato a osservare direttamente come la loro intensità e coerenza spaziale cambino durante una transizione di fase.
Un team di ricerca guidato dal professor Yongsoo Yang del Dipartimento di Fisica del KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology), in collaborazione con i professori SungBin Lee, Heejun Yang e Yeongkwan Kim e altri ricercatori dell’Università di Stanford, ha raggiunto un importante traguardo. Per la prima volta, sono riusciti a visualizzare direttamente l’evoluzione spaziale dell’ampiezza dell’onda di densità di carica all’interno di un materiale quantistico.
L’imaging su scala nanometrica rivela modelli di elettroni irregolari
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio elettronico raffreddato a elio liquido insieme alla microscopia elettronica a trasmissione a scansione quadridimensionale (4D-STEM). Questa configurazione avanzata ha permesso loro di monitorare come l’ordine CDW si forma, si indebolisce e si disgrega al variare della temperatura. Ancora più importante, sono stati in grado di creare mappe dettagliate su scala nanometrica che mostrano non solo se l’ordine elettronico è presente, ma anche quanto è forte e come si connette attraverso diverse regioni.
Il processo può essere paragonato all’osservazione della formazione di cristalli di ghiaccio durante il congelamento dell’acqua, ripresa con un ingrandimento estremamente elevato. In questo caso, tuttavia, il team ha osservato gli elettroni che si organizzavano a temperature prossime a -253 °C. Il loro microscopio era in grado di distinguere strutture di dimensioni pari a un centomillesimo della larghezza di un capello umano. Le immagini hanno rivelato che l’ordine elettronico non si diffonde in modo uniforme. Alcune aree mostravano schemi chiari e ben definiti, mentre le regioni vicine ne erano completamente prive, assomigliando a un lago dove il ghiaccio si forma a chiazze sparse anziché ricoprire l’intera superficie in una sola volta.
Tensione e crollo dell’ordine elettronico
Lo studio ha inoltre rilevato che questi schemi irregolari sono strettamente legati a minuscole distorsioni all’interno del cristallo. Anche minime deformazioni, troppo piccole per essere rilevate con i metodi ottici convenzionali, sono state sufficienti a indebolire significativamente l’ampiezza della CDW. Questo forte legame tra deformazione e ordine elettronico fornisce una prova diretta del fatto che sottili distorsioni del reticolo giocano un ruolo cruciale nel determinare la formazione di questi schemi.
Un altro risultato sorprendente è stata la scoperta che piccole sacche di ordine CDW possono persistere anche al di sopra della temperatura di transizione, dove in genere ci si aspetta che l’ordine a lungo raggio scompaia. Queste regioni isolate suggeriscono che la transizione non è un processo semplice e uniforme. Invece di scomparire tutto in una volta, l’ordine elettronico perde gradualmente la sua coerenza spaziale.
Misurare come svanisce l’ordine elettronico
Un risultato chiave del lavoro è la prima misurazione diretta delle correlazioni nell’ampiezza della CDW. Esaminando come la forza dell’ordine elettronico in una posizione si relaziona a quella in un’altra, i ricercatori hanno dimostrato come la coerenza si interrompa durante la transizione, mentre l’ampiezza locale rimane presente. Questo livello di dettaglio non era accessibile utilizzando le tradizionali tecniche di diffrazione o di microscopia a scansione di sonda.
Un nuovo quadro di riferimento per la comprensione dei materiali quantistici
Le onde di densità di carica sono una caratteristica fondamentale di molti materiali quantistici e spesso interagiscono con altri stati elettronici. Mappando direttamente la loro struttura spaziale e le loro correlazioni, questo studio fornisce un nuovo approccio sperimentale per comprendere come si forma e si evolve l’ordine elettronico collettivo nei sistemi reali.
Il dottor Yongsoo Yang ha sottolineato l’importanza dei risultati: “Fino ad ora, la coerenza spaziale delle onde di densità di carica era stata in gran parte dedotta indirettamente. Il nostro approccio ci permette di visualizzare direttamente come l’ordine elettronico varia nello spazio e nella temperatura e di identificare i fattori che lo stabilizzano o lo sopprimono localmente.”
Lo studio, con Seokjo Hong, Jaewhan Oh e Jemin Park del KAIST come co-primi autori, è stato pubblicato su Physical Review Letters .
La ricerca è stata principalmente finanziata dalla National Research Foundation of Korea (NRF) tramite sovvenzioni (Individual Basic Research Program, Basic Research Laboratory Program, Nanomaterial Technology Development Program) del governo coreano (MSIT).
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