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L’eccitazione di Reticoli Transienti tramite l’interferenza di impulsi di raggi X in un materiale consente l’investigazione dei fenomeni di trasporto su scale spaziali nanometriche ed è questo l'argomento dell'Articolo su "Nature Photonics". Tra gli autori Renato Torre, professore al Dipartimento di Fisica e Astronomia, e Sara Catalini, dottoranda al LENS.
Ad oggi, la modellizzazione e la comprensione dei fenomeni di trasporto su scala nano-metrica rimane un problema aperto nella scienza dei materiali. I modelli fisici presenti non riescono a descrivere in maniera esauriente i fenomeni di trasporto quando questi avvengono su scale spaziali nano-metriche; ne sono un esempio rilevante la propagazione di fononi acustici di alta frequenza (banda THz) o la propagazione termica. Anche dal punto di vista tecnologico è richiesta una comprensione operativa dei diversi processi di trasporto su scala nano-metrica, dato che la miniaturizzazione dei dispositivi ha oramai raggiunto la nanoscala.
La scarsa comprensione di questi fenomeni è principalmente dovuta alla mancanza di indagini sperimentali in grado di sondare i processi di trasporto su scale di lunghezza così ridotte. L’implementazione di queste investigazioni sperimentali richiede l'uso di radiazioni di lunghezza d'onda molto corta, e in particolare di raggi X. La sfida principale consiste 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.
Recentemente S. Catalini e R. Torre dell'Università di Firenze, come membri di un consorzio internazionale di ricercatori, sono riusciti a realizzare un esperimento non-lineare basato su impulsi ultracorti a raggi X generati da un laser a elettroni liberi (Free Electron Laser) presso il Paul Scherrer Institute, Svizzera. In un recente articolo, pubblicato su Nature Photonics, questo consorzio mostra come è stato possibile realizzare e utilizzare una tecnica sperimentale di tipo 4-wave-mixing (miscelazione a 4 onde) con raggi X pulsati con durate inferiori al picosecondo e risoluzioni spaziali sub-micrometriche. In questo esperimento, un reticolo transiente con periodicità di circa 700 nm è stato indotto in un campione cristallino (germanato di bismuto) e la dinamica del fonone acustico generato nel campione è stata misurata su scale temporali che si estendono su alcune decine di picosecondi.
Questo esperimento rappresenta il primo esempio di spettroscopia con raggi X di tipo 4-wave-mixing ed 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. Come, ad esempio, i fenomeni di trasporto su scala nanometrica in materiali di vario tipo, sia che presentino caratteristiche naturali o tecnologicamente modificate. Inoltre, futuri esperimenti di questo tipo potranno dare informazioni preziose per la nano-elettronica, la nano-ottica e il nano-magnetismo.