Laboratorio di Microscopia Ultraveloce per lo Studio di Fenomeni Dinamici alla Nanoscala (LUMiNaD)

Esplorazione di fenomeni ultraveloci alla nanoscala
Ultrafast fenomena

La nostra attività di ricerca è dedicata all’investigazione di fenomeni ultraveloci in materiali nanometrici a bassa dimensionalitá. In particolare, ci concentriamo su quantum dots a semiconduttore, nanofili, grafene e solidi van-der-Waals 2D, strutture nano-plasmoniche, materiali per l'energia, isolanti topologici e sistemi molecolari. Il nostro obiettivo è di poter controllare con precisione le proprietà elettroniche e strutturali di tali sistemi manipolando otticamente la correlazione e quel sottile equilibrio tra i gradi di libertà rilevanti (elettronico, spin, orbitale e reticolare). Poiché tale intricato accoppiamento dà origine a uno spazio delle fasi multidimensionale, una comprensione completa del comportamento fisico di tali sistemi può essere raggiunta solo quando si cattura simultaneamente la loro dinamica coerente sul scale temporali e spaziali appropriate.

Microscopia elettronica ultraveloce
Ultrafast electron microscopy

Il nostro metodo di analisi consiste nel monitorare il comportamento spazio-temporale di uno specifico sistema quantistico usando impulsi di elettroni ultracorti a seguito di un'eccitazione fotonica impulsiva spettralmente-risolta e spazialmente-confinata. Questo approccio si basa su un microscopio elettronico ultraveloce, inizialmente sviluppato dal Premio Nobel Ahmed H. Zewail, in cui un laser a femtosecondi è accoppiato a un microscopio elettronico a trasmissione (TEM). Tale configurazione fornirebbe simultaneamente risoluzioni spaziali e temporali senza precedenti (10 ordini di grandezza migliori di un TEM standard). Questo sarebbe il primo strumento del suo genere installato in Italia, e uno dei pochi al mondo.

Approccio multidimensionale per lo studio della dinamica dei materiali
Cross-scale approach to materials dynamics

Grazie alla versatilità e multi-dimensionalitá del nostro approccio, che combina strumenti per l’analisi nello spazio reale (imaging), nello spazio reciproco (diffrazione), e di tipo spettroscopico con elevata sensibilità temporale, il microscopio elettronico ultraveloce del laboratorio LUMiNaD fornirà la capacità unica di osservare numerosi fenomeni fondamentali, come ad esempio: i) la dinamica coerente delle eccitazioni collettive e di quasi-particella, ii) le correlazioni elettronico/strutturali in condizioni di non equilibrio, iii) il moto in tempo reale di nano-oggetti e di difetti estesi nei solidi, iv) il ruolo della chiralità nella dinamica degli stati quantistici topologici, e v) l'interazione quantistica elettrone/luce/materia su scale inferiori alla lunghezza d'onda della luce.

Responsabile

Facilities
  • Microscopio elettronico a transmissione JEOL
  • Laser infrarosso a femtosecondi