Il controllo della materia a livello atomico ha raggiunto un nuovo traguardo grazie a un esperimento che potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui manipoliamo i materiali in condizioni estreme. Un team internazionale è riuscito a “congelare” temporaneamente la fusione ultraveloce del silicio usando una sequenza calibrata con precisione di impulsi laser. Questa tecnica apre prospettive inedite per creare nuove fasi della materia e affinare gli studi sul trasferimento energetico nei solidi.
La sfida della fusione ultraveloce
Il silicio, pilastro dell’industria elettronica e fotovoltaica, presenta comportamenti sorprendenti sotto impulsi laser di altissima intensità. Normalmente, un singolo impulso provoca una fusione non-termica in appena trilionesimi di secondo: gli atomi perdono la loro struttura ordinata prima ancora di riscaldarsi, sfidando la visione classica dei cambiamenti di fase.
Lo studio, pubblicato su Communications Physics, è frutto della collaborazione tra Tobias Zier e David A. Strubbe (Università della California a Merced) e i ricercatori tedeschi Eeuwe S. Zijlstra e Martin E. Garcia (Università di Kassel). La loro strategia si basa su simulazioni quantistiche avanzate che descrivono il moto di atomi ed elettroni dai principi fondamentali della meccanica quantistica.
La danza interrotta degli atomi
Il cuore della scoperta sta nella sincronizzazione di due impulsi laser separati. Il primo mette in moto gli atomi del reticolo cristallino; il secondo, ritardato di appena 126 femtosecondi, ne interrompe il disordine imminente. Questo effetto di interferenza genera uno stato metastabile in cui il silicio resta solido nonostante l’energia assorbita sia sufficiente a farlo fondere.
Le simulazioni di dinamica molecolare ab initio, cioè basati sui principi fondamentali della meccanica quantistica, mostrano che questo stato conserva molte proprietà elettroniche del cristallo, con un band gap leggermente ridotto e vibrazioni atomiche (fononi) più fredde e stabili del previsto. In pratica, il secondo impulso “congela” il moto atomico.
Nuove frontiere per la scienza dei materiali
Questa tecnica rappresenta un passo importante verso un controllo più preciso della materia in condizioni estreme. Potrebbe essere applicata anche ad altri materiali, stabilizzando stati metastabili e migliorando la precisione negli esperimenti sul trasferimento di energia tra elettroni e atomi.
Le potenziali applicazioni vanno dalla lavorazione laser di precisione allo sviluppo di semiconduttori avanzati e materiali su misura. I prossimi studi si concentreranno sull’adattamento della tecnica a diversi composti e sull’approfondimento delle interazioni luce-materia, trasformando un fenomeno apparentemente incontrollabile in uno strumento per esplorare nuove frontiere della fisica della materia condensata.