Dispositivi di archiviazione più efficienti

Le reazioni innescate dalla luce, basate su elettroni in movimento che convertono i fotoni in energia, sono al centro di molti processi vitali sia in natura che in tecnologia. Negli anni ’80, gli scienziati hanno scoperto che in alcuni materiali, gli effetti combinati dei movimenti elettrici e atomici durante questo processo possono persino dare origine al magnetismo. Offrendo la possibile creazione di una nuova generazione di dispositivi di memorizzazione di dati, di gran lunga più efficenti. Ma fino ad ora, i ricercatori non erano sicuri di come funzionasse questo fenomeno, chiamato foto magnetismo.

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Comprendere e controllare l’ordine dei processi fisici durante questa reazione, risulta essere davvero arduo dato che il tutto avviene in maniera incredibilmente veloce. Come il famoso paradosso dell’uovo e della gallina, in cui è difficile dire chi è nato prima. Così in questa reazione è davvero difficile capire se sono gli elettroni a provocare i cambiamenti atomici o viceversa.

La ricerca

Usando un laser a raggi X presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia, un team guidato da Eric Collet e dallo scienziato dei DPI Marco Cammarata ha risolto questa domanda decennale., mostrando che sono i riordinamenti atomici indotti dalla luce a dare il trasferimento agli elettroni in azione. I loro risultati, pubblicati su Nature Chemistry all’inizio di Dicembre 2020, aiuteranno nello sviluppo di materiali foto-magnetici più efficienti. Più in generale, mostrano la capacità della scienza ultra veloce a raggi X di districare le dinamiche strutturali ed elettroniche, che è di primo interesse per comprendere una moltitudine di fenomeni fisici, chimici e biologici che si basano sul trasferimento di carica.

L’esperimento

L’esperimento ha coinvolto minuscoli cristalli foto-magnetici in cobalto e ferro. I ricercatori hanno usato un laser per avviare una reazione nei cristalli, seguita da un flash laser a raggi X ultra veloce che ha prodotto istantanee di come i cristalli hanno risposto nei primi miliardesimi di secondo, la scala cronologica su cui gli elettroni si muovono attraverso una molecola.

Questa tecnica ha permesso ai ricercatori di creare filmati di come gli atomi del campione si sono riorganizzati e di come gli elettroni sono stati trasferiti tra gli atomi di cobalto e ferro. Dimostrando che la reazione inizia con un’eccitazione elettronica ultra veloce, la quale guida i movimenti atomici intorno all’atomo di cobalto.

I commenti dei ricercatori

Cammarata dice: “Questa riorganizzazione destabilizza lo stato elettronico del sistema. Il quale alla fine causa il trasferimento di elettroni tra atomi di cobalto e ferro, generando uno stato magnetico. I nostri dati sono anche molto preziosi per lo sviluppo di calcoli quantistico-meccanici avanzati che aiutano a rivelare le forze fisiche in gioco”.

Per dare seguito, il team spera di utilizzare la stessa tecnica su altri sistemi più complessi e utilizzare altri colori della luce, per avviare la reazione al fine di fornire ulteriori test dei modelli quantistici.

“Questa ricerca è un grande passo avanti verso la comprensione di come si verificano i processi di deformazione molecolare e trasferimento di elettroni”, afferma Collet. “Potrebbe aiutarci a progettare nuovi materiali per migliorare la reazione alla luce e migliorare l’efficienza del processo.” Le applicazioni includono una migliore conversione dell’energia solare, catalisi chimica leggera e dispositivi di archiviazione dei dati ultraveloce.

I risultati mostrano che i movimenti atomici ultra veloci, sono il primo passo nella formazione di uno stato magnetico. Il tutto potrebbero portare a dispositivi di archiviazione dati più veloci ed efficienti.

Fonte Nature Chemistry