C’erano una volta la pressione, la temperatura e i campi magnetici. Modificando questi parametri l’uomo era in grado di manipolare le proprietà fisiche dei materiali, come la densità, la conducibilità elettrica, la magnetizzazione, la struttura cristallina, solo per citarne alcuni. Poi è arrivato il laser a impulsi ultrarapidi. Ed è iniziata un’altra era. Chiaramente pressione, campi magnetici e temperatura vengono ancora utilizzati, ma le sorgenti laser ultrarapide hanno davvero aperto nuove e promettenti prospettive in diversi campi della ricerca e della tecnologia. Si inserisce in questo contesto il progetto Erc “Delight – Discovering light-induced phases by first principles material design” coordinato da Matteo Calandra Buonaura, docente di Fisica della Materia al Dipartimento di Fisica. Lo abbiamo intervistato per capire meglio di cosa si occupa questa affascinante ma complessa ricerca.
Professor Calandra, partiamo dalle basi. Cos’è un laser ultrarapido e cosa succede quando colpiamo la materia con questi impulsi?
Un laser ultrarapido è un fascio di luce di intensità molto elevata e durata estremamente breve, nell’ordine di una decina di femtosecondi. Un femtosecondo è pari a un milionesimo di miliardesimo di secondo (per gli appassionati di etimologia, il prefisso femto deriva dal danese femten che significa quindici, ndr). Quando illuminiamo la materia con un intenso impulso laser ultrarapido, la portiamo verso degli stati alterati, lontani dall’equilibrio termico, in cui si manifestano proprietà altrimenti non osservabili e potenzialmente utili dal punto di vista tecnologico. I materiali che possono essere modificati da impulsi ultrarapidi sono tantissimi. E tantissime sono le fasi e le proprietà che si possono ottenere.
Può fare alcuni esempi?
Prendiamo il silicio: normalmente questo minerale fonde a 1414 gradi Celsius, ma se vengono impiegati laser ultrarapidi la transizione di fase avviene a qualche centinaio di gradi. Oppure il ferro e il nichel, che sono materiali magnetici, vengono demagnetizzati in un centinaio di femtosecondi da impulsi ultrarapidi. Le nuove fasi possono essere di due tipi: permanenti o transienti. In quest’ultimo caso la transizione avviene solo mentre la materia è esposta alla luce del laser e torna allo stato iniziale una volta interrotti gli impulsi. La capacità di transire verso nuovi stati in maniera permanente è alla base delle memorie ottiche (all optical memories), che sfruttano la capacità di alcuni materiali detti ‘a cambiamento di fase’ di passare dalla fase cristallina (bit 1) alla fase amorfa (bit 0) in pochissimo tempo se illuminati con laser a femto/pico secondi.
Dal punto di vista applicativo, quali sono i motivi di interesse di questo tipo di indagini?
Le potenzialità applicative sono numerose, soprattutto nel campo della chimica, della fisica e dell’ingegneria dei materiali. La ricerca potrebbe portare, ad esempio, allo sviluppo di materiali avanzati da utilizzare in settori chiave quali la produzione d’energia, l’elettronica e le comunicazioni. Lo studio delle fasi indotte dalla luce, tuttavia, è ancora pieno di lati oscuri, poiché pochi (se non nessuno) dei fenomeni osservati sperimentalmente erano stati previsti dalla teoria. In questo campo, però, non si può procedere alla cieca, tentando di sintetizzare in laboratorio nuovi materiali. Sarebbe come cercare un ago in un pagliaio. Ecco perché è nato Delight, per colmare questo gap teorico.
Parliamo di Delight.
È un progetto al quale lavora un team internazionale formato da undici persone. Insieme intendiamo sviluppare una strategia teorica in grado di prevedere e scoprire le fasi indotte dalla luce laser nei materiali. Per raggiungere questo obiettivo utilizziamo approcci matematici e fisici combinati a simulazioni numeriche quantistiche e di intelligenza artificiale. Questa strategia teorica, oltre a spiegare l’evidenza sperimentale, orienterà gli esperimenti futuri, favorendo lo sviluppo di nuovi materiali e dispositivi. È un lavoro complesso e molto astratto, ma che porterà risultati concreti, con un impatto reale nella vita di tutti i giorni. Lo stesso si può dire di un altro progetto, riguardante in questo caso l’idrogeno.
Ci incuriosisce. Di quale progetto si tratta?
Il progetto, finanziato dalla Provincia autonoma di Trento, riguarda le nuove tecnologie per la produzione sostenibile di idrogeno e coinvolge più Dipartimenti della nostra Università e la Fondazione Bruno Kessler. Il nostro gruppo di lavoro si occupa, in particolare, di progettare nuovi e più efficienti materiali da utilizzare nella copertura degli elettrodi delle celle fotoelettrolitiche, componenti fondamentali del processo di produzione dell’idrogeno tramite elettrolisi dell’acqua. Ci stiamo concentrando in particolare sul nitruro di carbonio grafitico, un materiale bidimensionale, cioè composto da pochi strati di atomi, che permette un’altissima densità di assorbimento di idrogeno. Ne studiamo le proprietà e cerchiamo di capire come migliorarle e modificarle.
Transforming materials with light
Ultrafast lasers modify materials and create new ones. Matteo Calandra's Erc project
There were once pressure, temperature, and magnetic fields. By modifying these parameters, you could manipulate the physical properties of materials, such as density, electrical conductivity, magnetization, crystalline structure, just to name a few. Then ultrafast-laser pulses came along, and another era began.
Pressure, magnetic fields and temperature are still being used of course, but ultrafast laser sources have really opened up new and promising perspectives in different fields of research and technology. This is the context of the ERC project "Delight – Discovering light-induced phases by first principles material design" coordinated by Matteo Calandra Buonaura, professor of Theoretical Condensed Matter Physics at the Department of Physics of UniTrento. We interviewed him to understand something more about this fascinating and complex field of study.
Professor Calandra, let's start with the basics. What is an ultrafast laser and what happens when materials are hit with these pulses?
Ultrafast lasers are beams of light of very high intensity and ultra-short duration, around ten femtoseconds. One femtosecond is one millionth of one billionth of a second (for etymology enthusiasts, femto derives from the Danish word femten which means fifteen). When materials are hit with an intense ultrafast laser pulse, we bring them to an altered state, far from their thermal equilibrium, where they exhibit properties that were not be visible before and which may be useful from a technological perspective. The materials that can be modified by ultrafast laser pulses are many. And they can exhibit a wide variety of phases and properties.
Can you make some examples?
Silicon, for example, ordinarily melts at 1414 degrees Celsius. With ultrafast lasers, the phase transition takes place at a few hundred degrees. Iron and nickel, to make another example, are magnetic materials that can be demagnetized in a hundred femtoseconds by ultrafast pulses. There can be two types of new phases: permanent or transient. In transient phases, the materials are altered while they are exposed to the laser light and return to their original state once the pulses are interrupted. The ability to permanently transit to new states is the basis of all-optical memories, which exploit the ability of some so-called 'phase change materials' to pass from the crystalline phase (bit 1) to the amorphous phase (bit 0) in a very short time if they are hit by femto/picosecond laser irradiation.
What are the possible applications of these technologies, why are they so interesting?
The application potential is significant, especially in the fields of chemistry, physics and materials engineering. Research could lead, for example, to the development of advanced materials for use in key areas such as energy production, electronics and communications. However, there is still a lot of work to do on the study of light-induced phases, since few (if any) of the experimentally observed phenomena had been predicted by theory. In this field, however, we cannot try to synthesize new materials in the laboratory. It would be like looking for a needle in a haystack. And that's why we launched Delight: to fill this theoretical gap.
Let's talk about the Delight project.
An international team of eleven people is working on the project. Our goal is to develop a theoretical strategy capable of predicting and discovering the phases induced by laser light in materials. To achieve it, we use mathematical and physical approaches combined with artificial intelligence and quantum numerical simulations. This theoretical strategy will give an explanation to the experimental evidence, and guide future experiments, facilitating the development of new materials and devices. It is a complex and very abstract work that will bring concrete results, with a real impact on everyday life. The same can be said of another project, on hydrogen in this case.
Could you tell us about it?
The project is funded by the Autonomous Province of Trento and involves several departments of our University and the Bruno Kessler Foundation. Its focus are new technologies for the sustainable production of hydrogen. Our work group, in particular, will design new and more efficient materials to be used to cover the electrodes of photo electrolytic cells, which are fundamental components for the hydrogen production process through water electrolysis. We are focusing in particular on graphitic carbon nitride, a two-dimensional material, i.e. composed of a few layers of atoms, which has a high hydrogen absorption rate. We are studying its properties and try to understand how to improve and modify them.