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Diverse proprietà fondamentali dei materiali, tra cui la conducibilità elettrica e quella termica, sono soggette alle vibrazioni collettive degli atomi, note come fononi. Tali modi di vibrazione reticolare vengono descritti attraverso la loro ampiezza, frequenza, simmetria e fase. Quando un materiale viene perturbato da appositi impulsi di luce, vibrazioni reticolari con la stessa frequenza e simmetria possono diventare sincrone su una regione estesa, dando origine ai cosiddetti fononi coerenti. Le scale di tempo e lunghezza caratteristiche di questi modi sono estremamente piccole, dell’ordine di picosecondi e frazioni di picometri rispettivamente, ossia millesimi di miliardesimi delle unità fondamentali.

Per poterle osservare, è necessario eccitare il materiale e registrare la sua risposta in un intervallo temporale molto ridotto, prima che venga ristabilito lo stato di equilibrio. Nel caso dei fononi coerenti, sono richiesti impulsi laser più brevi di un decimo di picosecondo. Variazioni delle posizioni atomiche inferiori ad un picometro necessitano di lunghi esperimenti con alta precisione ed accuratezza, pur usando sonde che possono campionare direttamente la struttura cristallina, come raggi x o elettroni.

Un’efficiente e rapida alternativa consiste nel monitorare la riflettività risolta nel tempo, nella quale i fononi coerenti compaiono come oscillazioni periodiche smorzate. Con questa idea, presentiamo un nuovo approccio per stimare gli spostamenti atomici fuori equilibrio connessi ai fononi coerenti. Abbiamo registrato ed analizzato la modulazione indotta nella riflettività risolta nel tempo utilizzando luce bianca, comprendente lunghezze d’onda dal vicino infrarosso (1450 nm o 0.85 eV, invisibile ad occhio nudo) al visible (550 nm o 2.3 eV, verde), a seguito dell’eccitazione data da un impulso nel vicino infrarosso (Figura 1).

Figura 1: La riflettività normalizzata risolta nel tempo (DR/R), definita come la variazione della riflettività della sonda utilizzando un impulso di pompa, misurata con la luce polarizzata lungo l’asse cristallino x in funzione del ritardo temporale dall’eccitazione e della energia dei fotoni della luce bianca.

Nella pubblicazione, il nostro metodo è applicato al ditellurio di tungsteno (WTe₂), un materiale a strati che ha recentemente riscosso interesse per la sua resistenza elettrica, insolitamente elevata e senza saturazione in presenza di un campo magnetico a basse temperature. Inoltre, è stato mostrato che molte delle sue proprietà sono influenzate da tensioni nella struttura che possono essere indotte attraverso impulsi luce, permettendo uno controllo ultraveloce delle funzionalità. In dettaglio, ci focalizziamo su due modi fononici ottici coerenti con frequenze di ~0.24 THz e ~2.4 THz. Il primo consiste in uno spostamento parallelo uniforme degli strati, mentre il secondo coinvolge anche spostamenti perpendicolari ai piani che variano a seconda dell’atomo (Figura 2).

Figura 2: Rappresentazione schematica dei modi fononici coerenti osservati; l’orientazione della freccia indica la direzione degli spostamenti, mentre la lunghezza esprime lo spostamento relativo degli atomi (tungsteno in blu, tellurio in giallo).

La valutazione dell’ampiezza di tali vibrazioni viene effettuata combinando esperimenti e simulazioni al computer basate sulla teoria del funzionale di densità. Le caratteristiche oscillatorie della riflettività sono state riprodotte, assieme alla loro dipendenza dalla lunghezza d’onda e polarizzazione della luce bianca. Quest’ultima è la chiave per ottenere confronti affidabili per quantificare il valore degli spostamenti atomici coerenti. Stimiamo in ~350 femtometri (millesimi di picometro) lo spostamento uniforme dato dal fonone coerente a ~0.24 THz e in poche decine di femtometri, a seconda dell’atomo, la vibrazione a ~2.4 THz nelle condizioni di minore eccitazione.

Questo approccio permette di valutare gli spostamenti atomici con una precisione di alcuni femtometri senza parametri liberi, ad eccezione di un comune fattore di scala per confrontare i dati sperimentali con le simulazioni numeriche. In principio, Il metodo può essere esteso a qualunque materiale cristallino, purché le sue proprietà ottiche ad alta energia siano soggette al moto coerente degli atomi. In prospettiva, questi risultati forniscono un metodo utile per progettare dispositivi in cui il moto reticolare coerente viene sfruttato per regolare finemente proprietà fondamentali di semiconduttori e metalli.

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