I “vecchi” materiali informano il passato e il futuro dell’universo

Edwin Fohtung, Professore Associato di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso il Rensselaer Polytechnic Institute, guida un team di ricercatori che ha scoperto competenze combinate in matematica e fisica della materia condensata con tecnologia scientifica avanzata a notevoli caratteristiche dei materiali ferroelettrici magnetici.

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Credito immagine: Rensselaer Polytechnic Institute

In un nuovo studio pubblicato da Springer Nature in Anticipi MRSi ricercatori che hanno scoperto una classe di difetti noti come difetti topologici potrebbero fornire una piattaforma per studiare vari fenomeni imprevisti.

Ad esempio, la conducibilità elettronica a temperatura ambiente è stata segnalata sulle pareti dei domini di materiali ferroelettrici isolanti. La comunità scientifica affronta la sfida dell’imaging tridimensionale non distruttivo di tali strutture su scala nanometrica.

Ciò è stato ottenuto utilizzando un metodo di microscopia a raggi X senza obiettivo chiamato Bragg Coherent Diffractive Imaging (BCDI). La scoperta di una tecnica di microscopia a raggi X senza lenti ha il potenziale per avere effetti significativi sulla fisica, l’informatica e le tecnologie mediche.

Con sorgenti di sincrotrone che sono fondamentalmente emesse da acceleratori di particelle, possiamo produrre fotoni di raggi X che sono 10 miliardi di volte più luminosi della luce solare. Concentriamo e controlliamo strettamente quei fasci di raggi X per la spettroscopia e l’imaging e, per la prima volta, possiamo osservare piccole eccitazioni su scala nanometrica dei materiali allo stato solido.

Edwin Fohtung, Professore Associato, Scienza e Ingegneria dei Materiali, Rensselaer Polytechnic Institute

Il team ha utilizzato BCDI per trovare difetti topologici con proprietà inaspettate, come conduttività e superconduttività, ai confini di domini elastici o aree con atomi spostati o deformati.

Fohtung ha aggiunto,Su scala nanometrica, caratteristiche come dislocazioni e difetti topologici globali sono quasi come un elemento costitutivo nelle applicazioni su larga scala di questi materiali. Sono principalmente guidati dal loro comportamento su scala nanometrica. È qualcosa che troviamo sorprendente: le cose su piccola scala dominano ciò che viene catturato su larga scala.

La nostra ricerca potrebbe portare all’utilizzo di difetti topologici come i vortici ferroelettrici come elementi costitutivi per formare qubit da utilizzare nell’informatica quantistica. Nella medicina rigenerativa e nella biologia, i difetti topologici possono essere visti come i mattoni che controllano la dinamica cellulare collettiva. La capacità di visualizzare tali difetti nei loro ambienti nativi è, quindi, una priorità assoluta.

Edwin Fohtung, Professore Associato, Scienza e Ingegneria dei Materiali, Rensselaer Polytechnic Institute

La scoperta può avere una vasta gamma di applicazioni, con imperfezioni topologiche che aiutano persino a comprendere come si è formato l’universo primordiale dopo il Big Bang.

Fohtung ha inoltre aggiunto: “Non possiamo ricreare il Big Bang in laboratorio, ma gli scienziati possono studiare i difetti topologici nelle nanostrutture di materiali con transizioni di fase di abbassamento di simmetria molto simili a quelle dell’universo primordiale dopo il Big Bang. Possiamo quindi studiare la velocità con cui l’universo primordiale si è evoluto comodamente nel nostro laboratorio. I difetti topologici possono offrire molte nuove intuizioni scientifiche dalla scala atomica alla scala cosmica!

Gli studenti laureati Nimish Prashant Nazirkar, Zachary Barringer e Skye Williams, insieme al ricercatore post-dottorato Xiaowen Shi, hanno collaborato con Fohtung a questa ricerca a Rensselaer.

La ricerca del dottor Fohtung è un ottimo esempio dell’offuscamento dei confini tra l’ingegneria dei materiali all’avanguardia e la fisica fondamentale, con potenziali applicazioni in molte aree interessanti. Sono lieto delle opportunità interdisciplinari che gli studenti di ingegneria e i ricercatori post-dottorato stanno ottenendo attraverso la loro partecipazione a questa ricerca.

Shekhar Garde, Preside, Ingegneria, Rensselaer Polytechnic Institute

Lo studio includeva anche contributi di Ross Harder dell’Advanced Photon Source.

Riferimento al giornale

Shi, X., et al. (2022) Difetti topologici e gemelli ferroelastici nei nanocristalli ferroelettrici: cosa possono rivelare i raggi X coerenti su di essi. Anticipi MRS. doi:10.1557/s43580-022-00352-w.

Fonte: https://rpi.edu/

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