Il trasporto del suono su scala nanometrica

FIRENZE\ aise\ - Nell’infinitamente piccolo la fisica cambia i suoi connotati, le sue leggi.
Questa acquisizione si rivela tanto più vera nei confronti dei fenomeni di trasporto del suono o del calore: i modelli fisici attuali non riescono a descrivere in maniera esauriente tali fenomeni quando questi avvengono su scale spaziali nanometriche.
Ne sono un esempio rilevante la propagazione di fononi acustici di alta frequenza (l’equivalente, su scala nanometrica, delle onde acustiche) o la propagazione termica, processi su cui mancano indagini sperimentali su scale di lunghezza così piccole.
Nuovi sviluppi in questo settore di ricerca giungono da uno studio pubblicato su Nature Photonics, ad opera di un consorzio internazionale di ricercatori, a cui hanno partecipato Renato Torre, docente di Fisica della materia presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Firenze, e afferente al Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non lineare (Lens), e Sara Catalini, dottore di ricerca presso il Lens (“Hard X-ray transient grating spectroscopy on bismuth germanate” DOI: 10.1038/s41566-021-00797-9).
Il team è riuscito a realizzare presso il Paul Scherrer Institute (Svizzera) una tecnica di investigazione innovativa attraverso un esperimento basato su impulsi ultracorti a raggi X generati da un laser a elettroni liberi (Free Electron Laser).
La tecnica sperimentale di miscelazione a 4 onde (4-wave-mixing) usa raggi X pulsati con durate inferiori al picosecondo e risoluzioni spaziali sub-micrometriche. In sostanza, un laser ad elettroni liberi ha generato impulsi ultracorti a raggi X che vanno ad impattare con un campione cristallino, riproducendo al suo interno un reticolo termico e generando un fonone, misurabile su scale temporali che si estendono su alcune decine di picosecondi. Il reticolo, che il laser induce nel materiale di studio rendendo così possibile la misurazione della propagazione del fonone, ha una periodicità inferiore al micron (700nm) ed è detto “transiente” perché passeggero, destinato a scomparire alla fine del transito del fonone all’interno del materiale.
“Era noto che questo tipo di investigazioni sperimentali richiede l’uso di radiazioni di lunghezza d’onda molto corta, e in particolare di raggi X”, spiegano Torre e Catalini, che hanno confermato i risultati realizzando un esperimento al LENS analogo a quello svizzero tramite radiazione visibile. “La sfida principale è consistita nel controllo sperimentale di più fasci di raggi X, capace di generare un’interazione coerente con la materia caratterizzata da risoluzione nano-metrica: solo se si raggiunge questo controllo è possibile realizzare indagini spettroscopiche a raggi X di tipo non-lineare”.
“L’esperimento – commentano ancora i due ricercatori – apre la strada ad una serie di tecniche di investigazione sperimentale innovative che promettono di fornire informazioni originali sulla dinamica dei materiali su scale spazio-temporali inesplorate. Ciò è di grande interesse anche dal punto di vista tecnologico, dove, tenuto conto che la miniaturizzazione dei dispositivi ha oramai raggiunto la nanoscala, è richiesta una comprensione operativa dei diversi processi di trasporto su scala nano-metrica. Futuri esperimenti di questo tipo potranno dare informazioni preziose per la nano-elettronica, la nano-ottica e il nano-magnetismo”. (aise)