Una fase della materia solo ipotizzata si rivela reale

Una fase della materia, che prima esisteva esclusivamente nel campo della teoria, è stata finalmente scoperta in un materiale reale.

È nota come fase vetrosa di Bragg: una disposizione strana e apparentemente paradossale degli atomi in un materiale di vetro in cui le particelle sono ordinate quasi quanto quelle di un cristallo perfetto. Gli scienziati non erano nemmeno sicuri dell’esistenza del vetro di Bragg, ma eccolo lì, nascosto in una lega di palladio inserita tra strati di terbio e tellurio (Pd x ErTe 3 ). La scoperta, guidata dal fisico Krishnanand Mallayya della Cornell University e pubblicata su Nature Physics , non solo fa luce sul modo in cui i materiali possono comportarsi, ma dimostra una nuova potente serie di tecniche per sondare le strutture atomiche di materiali esotici. Le fasi in questione hanno a che fare con il modo in cui sono disposti gli atomi e le molecole. Una fase ordinata a lungo raggio è quella in cui le molecole di un solido cristallino sono disposte secondo uno schema tridimensionale ordinato e geometrico. Una fase disordinata è quella in cui gli atomi che la compongono sono tutti confusi. I liquidi sono disordinati in questo modo, ma lo sono anche alcuni solidi, come il vetro . Tra questi accordi, i fisici predissero l’esistenza di una terza fase. E’ il vetro di Bragg. Mallayya e il suo team pensavano di poterlo trovare in un materiale che contiene un’onda di densità di carica (CDW), un fenomeno comunemente riscontrato nei materiali bidimensionali che descrive la modulazione periodica della densità di carica di un materiale. Pensatela come un’”onda” nel modo in cui sono distribuiti gli elettroni. Per ciascuna delle tre fasi, il CDW si comporta diversamente. Per una fase ordinata a lungo termine, la CDW è correlata alla struttura del materiale e continua indefinitamente. Per uno stato disordinato, si rompe entro una distanza finita. Per il vetro di Bragg, la correlazione si interrompe, ma più lentamente e su una distanza maggiore rispetto allo stato disordinato, e sembra scomparire solo a distanze infinite. “La sfida”, afferma il fisico Eun-Ah Kim della Cornell University, “sta rilevando queste distinzioni dai dati sperimentali che riflettono anche problemi della vita reale come il rumore e la risoluzione finita della configurazione sperimentale”. Per rilevare la fase è stato necessario molto lavoro. Innanzitutto c’era il materiale; Pd x ErTe 3 è stato attentamente studiato dagli scienziati dello SLAC e di Stanford diversi anni fa , e i ricercatori hanno stabilito che sarebbe stato adatto ai loro scopi. Per sondare la struttura del materiale, i ricercatori hanno inviato i loro campioni all’Argonne National Laboratory. Lì, il Pd x ErTe 3 è stato bombardato con raggi X per misurare il modo in cui la luce si diffrangeva dall’interno del materiale.

Una fase della materia solo ipotizzata si rivela reale

Infine, per esaminare e analizzare i dati assoluti di diffrazione dei raggi X, i ricercatori hanno utilizzato uno strumento di analisi dei dati di apprendimento automatico chiamato X-ray Temperature Clustering (X-TEC). Ciò ha permesso loro di sondare migliaia di picchi CDW: “è la prima volta che le fluttuazioni CDW sono state analizzate da più di una manciata di picchi”, notano i ricercatori . Dall’asimmetria del picco CDW, Mallayya e il suo team affermano di aver finalmente identificato l’esistenza della fase vetrosa di Bragg, confermando sperimentalmente la sua esistenza nel mondo reale. Ciò rappresenta un progresso significativo nella comprensione di questa fase sfuggente. Oltre a confermare i modelli esistenti, le loro tecniche dovrebbero rivelarsi utili anche per la ricerca futura: lo strumento X-TEC è stato in grado di estrarre caratteristiche dai dati con elevata precisione, a un ritmo elevato, il che promette molte scoperte future. “Utilizzando strumenti di apprendimento automatico e prospettive scientifiche sui dati, possiamo rispondere a domande impegnative e rintracciare firme sottili attraverso un’analisi completa dei dati”, afferma Kim .

I risultati del team sono stati pubblicati su Nature Physics .

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