La ricerca spesso si svolge come un processo a più fasi. La soluzione a una domanda può suscitarne molte altre, ispirando gli scienziati a spingersi oltre e a guardare il problema più ampio da diverse prospettive. Tali progetti possono spesso essere il catalizzatore di collaborazioni che sfruttano le competenze e le capacità di diversi team e istituzioni man mano che crescono.
Per mezzo secolo, gli scienziati hanno approfondito i misteri del disolfuro di tantalio in fase 1T (1T-TaS2), un materiale inorganico stratificato con alcune proprietà quantistiche interessanti, come la superconduttività e le onde di densità di carica (CDW).
Per svelare la complessa struttura e il comportamento di questo materiale, i ricercatori dell'Istituto Jozef Stefan in Slovenia e dell'Università Paris-Saclay in Francia hanno contattato gli esperti che utilizzano la linea di luce Pair Distribution Function (PDF) presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) ), un Office of Science User Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) situato presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, per saperne di più sulla struttura del materiale.
Sebbene il team in Slovenia studiasse questo tipo di materiali da decenni, mancava loro la caratterizzazione strutturale specifica che il PDF poteva fornire.
I risultati di questa collaborazione, recentemente pubblicati in Nature Communications, ha rivelato uno stato elettronico nascosto che poteva essere visto solo da una sonda di struttura locale come la tecnica della funzione di distribuzione della coppia. Con una comprensione più completa di 1T-TaS2Negli stati elettronici, questo materiale potrebbe un giorno svolgere un ruolo nell'archiviazione dei dati, nell'informatica quantistica e nella superconduttività.
Un punto di osservazione migliore offre una visione migliore
Quando gli scienziati studiano un materiale, a volte vogliono vedere il modo in cui gli atomi sono disposti a breve distanza, su una scala di 10 nanometri, e a volte vogliono vedere come gli schemi in una struttura atomica si ripetono a lungo raggio, come su una scala micrometrica. .
La differenza tra queste scale è paragonabile all’osservazione di alcuni edifici diversi su una strada rispetto al modo in cui gli edifici sono disposti su diversi isolati. Ciascuno di questi compiti richiede un punto di vista molto diverso. Quando studiano le proprietà di un materiale, i ricercatori potrebbero essere in grado di vedere solo determinati comportamenti su una scala di lunghezza specifica.
"Effettuiamo diversi tipi di misurazioni sulla linea di luce", ha spiegato la scienziata capo della linea di luce Milinda Abeykoon. "Di solito, utilizziamo la diffrazione di raggi X su polvere (XRD) per caratterizzare l'ordine a lungo raggio di un campione, ma in questo materiale sospettavamo la coesistenza di caratteristiche ordinate a corto raggio che potrebbero portare alle sue proprietà interessanti, quindi il PDF è stato ideale per questo tipo di caratterizzazione strutturale.
“La linea di luce dispone anche di attrezzature specializzate, come la configurazione combinata del cryostream e del ventilatore ad aria calda, che è stata fondamentale per noi per scoprire alcune delle sottili caratteristiche dipendenti dalla temperatura di questo materiale in un intervallo di temperature molto ampio”.
"È possibile avere un materiale che assomiglia a un sistema ordinato ideale a lungo raggio quando osservato utilizzando l'XRD, ma deviazioni strutturali su scala più breve possono essere rilevate quando viene utilizzato il PDF", ha affermato Emil Bozin, uno scienziato che guida la ricerca sul PDF all'interno del progetto. Divisione Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) del Brookhaven National Laboratory e uno degli autori principali di questo articolo.
“Se non avessimo applicato questa tecnica, non saremmo stati in grado di vedere che in realtà esisteva un ordine nascosto a corto raggio nel sistema che tutte le sonde utilizzate in precedenza avevano mancato. C’è un importante aspetto strutturale locale”.
1T-TaS2: Un materiale stratificato pieno di sorprese
I dichalcogenuri dei metalli di transizione, o TMD, sono una classe di materiali costruiti con strati atomicamente sottili. I TMD presentano un metallo di transizione che si trova tra due strati di calcogeni, materiali che contengono ossigeno, zolfo e selenio. Ciascuno di questi strati materiali ha lo spessore di un solo atomo, un milionesimo dello spessore di un capello umano.
Nel caso di 1T-TaS2, un sottile strato di tantalio è inserito tra due strati di zolfo. Ogni materiale ha la sua peculiare struttura a strati, ma quando gli strati si combinano, gli elettroni interagiscono tra loro in questo diverso ambiente e creano nuove proprietà.
I TMD sono stati studiati per molti decenni poiché mostrano CDW affascinanti ma complessi mentre vengono raffreddati. I CDW sono un particolare allineamento ordinato di tariffe a lungo termine che potrebbe essere determinato da diversi fattori; in diversi materiali TMD, gli strati si impilano in modi leggermente diversi. Il modo in cui la struttura si ordina crea un sistema molto specifico.
1T-TaS2 è speciale in molti modi. Come altri TMD, esibisce questo CDW, ma a differenza degli altri che rimangono metallici, nel senso che conducono bene la corrente elettrica, questo particolare sistema è in realtà isolante nel suo stato CDW.
CDW è un fenomeno quantistico che coinvolge il movimento di elettroni che formano uno schema ripetuto all'interno di un materiale. Questa disposizione influisce sulle proprietà elettroniche e strutturali del materiale, aprendolo a diverse applicazioni, tra cui archiviazione di memoria e sensori la tecnologiae l'informatica quantistica.
Un'altra caratteristica notevole di 1T-TaS2 è che è un materiale candidato per il liquido a spin quantistico. I liquidi a spin quantistico sono sistemi paramagnetici, il che significa che il materiale non ha un ordine magnetico a lungo raggio. A causa delle fluttuazioni quantistiche, la loro rotazione non si ordina mai, nemmeno a basse temperature. Questi materiali sono caratterizzati dall’entanglement quantistico, che li ha portati all’attenzione dei ricercatori nel campo del calcolo quantistico topologico.
“Si tratta di un concetto che è stato esplorato profondamente in senso teorico”, ha affermato Bozin, “ma ci sono pochi dati sulla realizzazione effettiva di questi concetti da parte del sistema. Anche se non affronteremo questo problema direttamente nel nostro studio, è una delle caratteristiche chiave di questo materiale a renderlo così interessante. Se fosse dimostrato che lo stato liquido di spin teorico di questo materiale può effettivamente essere stabilizzato, si aprirebbero nuove possibilità nel mondo della scienza dell’informazione quantistica”.
Far luce su nuove fasi
“1T-TaS2 non è interessante solo per il suo potenziale nell’informatica quantistica. Ci sono anche applicazioni nell’informatica classica che sono di interesse pratico più immediato”, ha affermato Dragan Mihailovic, capo del dipartimento di materie complesse presso l’Istituto Jozef Stefan in Slovenia e uno degli autori principali di questo articolo.
“Abbiamo scoperto che questo materiale fa qualcosa di veramente straordinario quando esposto a brevissimi impulsi di luce o elettricità. Questi impulsi possono causare un cambiamento della configurazione di carica all'interno del CDW, che a sua volta porta ad un forte calo della resistenza elettrica.
“A basse temperature, questi cambiamenti possono entrare in uno stato di conduzione 'metastabile', che può essere riportato in modo controllabile allo stato isolante a piacimento. Ciò ha applicazioni pratiche nell’informatica, come l’archiviazione della memoria, che il team in Slovenia sta già iniziando a esplorare con i principali attori del settore tecnologico.
«I principali vantaggi derivano dal fatto che tali dispositivi presentano tempi di commutazione della resistenza inferiori al picosecondo e hanno una dissipazione record nell’ordine degli atto-Joule. In combinazione con eccellenti proprietà di ciclismo e scalabilità, tali dispositivi di "memoria di configurazione di carica" basati su 1T-TaS2 sono molto promettenti per tutti i tipi di applicazioni di criocalcolo”.
“Utilizzo della tecnica PDF per esplorare la struttura cristallina di 1T-TaS2 in un ampio intervallo di temperature, abbiamo fatto diverse osservazioni davvero sorprendenti”, ha osservato Abeykoon. "La temperatura del materiale modifica la struttura elettronica."
Quando la temperatura si abbassa, il materiale entra nello stato CDW in cui l'ordine a lungo raggio del materiale inizia a distorcersi e cambiare. Al di sotto dei 50 K – la temperatura alla quale l’applicazione di rapidi impulsi di luce porta a uno stato metastabile – il materiale mostra una distorsione strutturale inaspettata che accoppia gli strati di tantalio vicini. Questa distorsione potrebbe essere la chiave per raggiungere uno stato duraturo creato dagli impulsi.
Al contrario, riscaldando il materiale sopra i 550 K si rimuove completamente il CDW, il che dovrebbe risultare in un materiale non distorto.
“Sorprendentemente, distorsioni a corto raggio simili a quelle osservate a basse temperature persistono su scala locale a temperature ben al di sopra di quelle dello stato CDW”, ha spiegato Abeykoon. “Questo risultato fornisce un’idea di ciò che sta guidando la formazione di CDW in questo sistema”.
Queste distorsioni ad alta temperatura hanno origine dai polaroni, quasiparticelle create dagli elettroni mentre si muovono attraverso la struttura reticolare di un materiale e interagiscono con esso localmente. Al di sopra dei 600 K la struttura a strati del sistema comincia a cambiare in modo irreversibile. Si converte da un impilamento omogeneo di un tipo di strato sandwich di zolfo-tantalio-zolfo in uno stack eterogeneo in cui ogni altro strato sandwich cambia tipo.
Quando avviene il cambiamento, il numero di polaroni diminuisce del 50%. Ciò significa che i polaroni preferiscono solo un tipo di strato sandwich, quello visto nel 1T-TaS incontaminato2.
“Ciò fornisce una prova inequivocabile dell’esistenza di polaroni ben al di sopra della temperatura di ordinamento CDW, che non è mai stata osservata prima”, ha affermato Mihailovic.
L’ordinamento della carica di questo materiale – il modello che gli elettroni creano in base alla loro densità in diverse aree di un materiale – è guidato da un meccanismo completamente diverso da quello che ci si aspetterebbe tradizionalmente. L'ordinamento comporta la cristallizzazione dei polaroni nel proprio stato ordinato. Questo è simile a qualcosa noto come “cristallo Wigner”, che descrive gli elettroni disposti in uno stato solido e cristallino.
Comprendere le complesse proprietà elettroniche di questo materiale e come controllarle apre una serie di potenziali applicazioni nell'elettronica, nel rilevamento e nell'informatica, ma c'è ancora molto altro da imparare. Sebbene questi stati nascosti che si manifestano quando si colpisce il materiale con impulsi laser ultraveloci siano stati osservati in passato, non sono mai stati completamente compresi.
Il team sta progettando di decodificare la struttura atomica e la sua relazione con la struttura di equilibrio ordinato. La natura dipendente dalla temperatura dello stato metastabile non è ancora del tutto compresa. Per realizzare appieno le capacità di commutazione ottica ed elettrica di questo materiale per applicazioni high-tech a temperature più calde, i ricercatori devono determinare maggiori dettagli di questo stato.
“Ci sono ancora diverse aree inesplorate in questo sistema”, ha detto Bozin, “compresa la struttura locale. Il nostro studio ha rivelato che questo sistema è in realtà molto più complesso, e lo era già all’inizio. Ci sono segreti su questo materiale che continuano a venire alla luce, e continueranno a farlo nel corso dei decenni”.