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Il laser trasforma il dielettrico in un conduttore

06.04.2018

Un gruppo internazionale di scienziati per la prima volta ha descritto teoricamente come si comporteranno i cosiddetti dielettrici di Mott sotto l'azione di impulsi laser ultracorti e molto potenti e come dovrebbe apparire lo spettro della radiazione riflessa dalla loro superficie.

I calcoli mostrano che in questo caso il dielettrico si trasformerà in un conduttore. In futuro, questo fenomeno potrà essere utilizzato per l'elettronica, gli studi sui processi veloci e gli stati quantistici nella materia.

I dielettrici sono sostanze che conducono male l'elettricità, perché hanno pochi elettroni liberi che possono muoversi e trasportare facilmente la carica. Nei dielettrici ordinari, ciò è dovuto alle peculiarità della distribuzione degli elettroni sui livelli di energia che sorgono nel campo del reticolo cristallino. Questo è descritto da una delle sezioni principali della fisica quantistica: la teoria delle bande.

I dielettrici Mott differiscono dai dielettrici ordinari in quanto la corrente non può fluire in essi per un motivo completamente diverso, a causa della forte interazione tra gli elettroni. In essi, il movimento degli elettroni in grado di creare una corrente è "interferito" da altri elettroni situati su atomi vicini. Con la loro repulsione, "bloccano" ogni elettrone sul loro atomo e rendono la sostanza un dielettrico. Prendono il nome dal fisico inglese Neville F. Mott, premio Nobel nel 1977, che nel 1949 spiegò la loro presenza. I dielettrici Mott (di norma, si tratta di ossidi di metalli di transizione, ad esempio NiO) cessano di condurre corrente quando vengono raffreddati, quando l'interazione tra gli elettroni diventa più significativa.

Gli esperimenti sull'effetto della luce sulla materia sono iniziati circa 20 anni fa. Ma la necessità di tenere conto dell'interazione degli elettroni ha reso difficile lo studio teorico dei processi nei dielettrici Mott. Pertanto, fino ad ora, sono stati considerati singoli atomi o molecole per studiare il comportamento degli elettroni negli orbitali degli atomi. Ma nessuno ha studiato il comportamento degli stessi dielettrici Mott in un campo luminoso super forte. Tuttavia, negli ultimi cinque anni, gli sperimentatori hanno iniziato a passare ai solidi, ai cristalli. Qui il quadro è molto più complicato, poiché si tratta di un problema multielettronico, in cui gli elettroni interagenti influiscono sulla conduttività.

I ricercatori simulati hanno studiato come tali materiali risponderebbero ai lampi di un laser a femtosecondi ad alta potenza e hanno modellato come dovrebbe apparire lo spettro della radiazione riflessa da una superficie, poiché le sue proprietà sono influenzate dalle caratteristiche del materiale. Sotto l'azione di un forte campo alternato di un raggio laser incidente sulla superficie di un dielettrico Mott, lo stato degli elettroni in esso contenuto cambia. La loro energia cinetica aumenta e il materiale perde le sue proprietà dielettriche. Il processo può essere studiato utilizzando la cosiddetta spettroscopia ad alta armonica.

Il metodo consiste nell'inviare al materiale impulsi laser molto brevi, di decine o centinaia di femtosecondi (10-15 s) con determinate caratteristiche. Quando il raggio viene riflesso dal materiale, queste caratteristiche cambiano, inclusi alcuni dei fotoni che acquisiscono dozzine di volte più energia e frequenza di oscillazione rispetto ai fotoni dell'impulso iniziale (questo è chiamato generazione di armoniche ottiche elevate). Modificando le caratteristiche della trave, si possono giudicare le proprietà del materiale.

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I fari acustici proteggono dai bird strike 07.03.2018

Di solito le persone cercano di allontanare gli uccelli con segnali che possono vedere, come indicatori di finestre e segnali luminosi, ma questo metodo non sempre funziona. Una possibile spiegazione è che gli occhi degli uccelli di solito non sono posti davanti alla testa, ma ai lati di essa, in modo che ci sia un punto cieco proprio al centro della loro visione. Quindi gli scienziati hanno avuto l'idea che forse il suono sarebbe stato il miglior segnale di avvertimento.

Gli scienziati hanno addestrato 16 fringuelli zebra in cattività a volare attraverso un corridoio speciale della lunghezza di un autobus. A volte gli uccelli potevano viaggiare liberamente per l'intera lunghezza del corridoio, ma in altri esperimenti è stata allestita una rete nel corridoio per intrappolare delicatamente gli uccelli come l'equivalente sicuro di colpire un edificio.

Gli uccelli rallentavano quando si avvicinavano alla rete, ma rallentavano ancora di più se sentivano un forte suono a un metro dalla rete. Allo stesso tempo, il suono stesso non li ha fatti rallentare, quindi gli scienziati suggeriscono che l'azione del "faro sonoro" ha aumentato l'attenzione generale degli uccelli e hanno notato la rete più velocemente.

Un'ulteriore prova a favore di questa ipotesi è stata il cambiamento nella postura degli uccelli durante il volo: hanno cominciato a stare in aria più dritti quando hanno sentito un suono. Uno studio scientifico ha dimostrato che un minor numero di uccelli si scontra con gli edifici quando vengono utilizzati una sirena e un segnale luminoso per avvisarli del pericolo.
Gli autori dello studio riconoscono che anche questo metodo deve essere testato "sul campo" osservando come tali "fari acustici" influenzeranno gli uccelli in natura. Questo problema non riguarda solo il salvataggio degli uccelli, ma è anche di importanza economica: le collisioni di uccelli con aerei e strutture a terra aumentano il rischio di malfunzionamenti e disastri e causano annualmente miliardi di dollari di perdite all'industria aeronautica e ad altri settori dell'economia .

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