Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han creado las primeras películas atómicas que muestran cómo los átomos se reorganizan localmente dentro de un material cuántico a medida que pasa de un aislante a un metal. Con estas películas, los investigadores descubrieron una nueva fase material que pone fin a años de debate científico y puede facilitar el diseño de nuevos materiales de transferencia con aplicaciones comerciales.
Esta investigación fue publicada recientemente. materiales naturales, Indica el éxito de un procedimiento; Los investigadores demostraron que una técnica de caracterización de materiales llamada análisis de función de distribución de pares de átomos (PDF) es posible, y exitosa, en las instalaciones de láser de electrones libres de rayos X (XFEL). Los PDF se utilizan comúnmente para experimentos con fuentes de luz de sincrotrón, durante los cuales las muestras se bombardean con pulsos de rayos X. Al estudiar cómo cambian los patrones de difracción de rayos X después de interactuar con los materiales, los científicos pueden comprender mejor las propiedades de estos materiales. Pero estos experimentos están limitados por los pulsos de rayos X más cortos que puedan generarse.
“Es como la velocidad de obturación de una cámara”, explicó Jack Griffiths, coautor principal del artículo. “Si estás fotografiando algo que cambia más rápido que la velocidad de obturación de tu cámara, tu imagen será borrosa. Al igual que una velocidad de obturación rápida, los pulsos cortos de rayos X nos permiten ver más del material que cambia rápidamente. Ayuda a ver en detalle “. Griffiths era investigador postdoctoral en el grupo de dispersión de rayos X en el departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencia de Materiales (CMPMS) de Brookhaven cuando se realizó la investigación y ahora se encuentra en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II), un DOE es un puesto -investigador doctoral. Instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias en Brookhaven Lab.
Las fuentes de luz de sincrotrón son ideales para caracterizar materiales que no cambian o materiales que cambian en cuestión de minutos u horas, como las baterías a medida que se cargan y descargan. Pero este grupo de científicos quería observar cambios materiales en una escala de tiempo de picosegundos.
“Es difícil imaginar qué tan rápido es realmente un picosegundo”, dijo Griffiths. La luz puede dar siete vueltas y media alrededor de la Tierra en un segundo. Pero la luz sólo puede viajar un tercio de milímetro en un picosegundo. “La escala de tiempo es casi fantástica”.
Entonces, los científicos llevaron la técnica PDF a un XFEL llamado Linac Coherent Light Source (LCLS), una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del DOE que produce cantidades increíbles de rayos X. Produce pulsos brillantes y cortos.
“Cuando haces algo por primera vez, siempre existe ese aspecto de lo desconocido. Puede ser estresante pero también muy emocionante”, dijo Emil Bosen, el otro coautor principal y físico de CMP MS X-Ray. dicho. El grupo de dispersión. “Conocíamos las limitaciones básicas de llevar PDF a XFEL, pero realmente no sabíamos qué esperar”.
Con la rápida “velocidad de obturación” del LCLS, los científicos pudieron crear películas que ilustran el movimiento de los átomos, como ocurre cuando su muestra de material cuántico se mueve entre un metal y un aislante.
“Me sorprendió lo bien que funcionó”, dijo Simon Billing, físico del grupo de dispersión de rayos X y profesor de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia.
“Es como necesitar una aplicación de navegación”, añadió Billing. “Sabes dónde estás en este momento y cuál es tu destino, pero necesitas una aplicación que te brinde algunas opciones de ruta. Ultrafast PDF era nuestra aplicación de navegación”.
Comprender estas rutas atómicas es un primer paso importante en el diseño de materiales de transición con numerosas aplicaciones en informática, química y almacenamiento de energía. Una vez que los científicos comprendan cómo se transfieren los materiales, podrán desarrollar rutas atómicas y diseñar materiales adecuados para aplicaciones comerciales. El contenido de la memoria de la computadora, por ejemplo, pasa a una fase diferente cuando se guarda un archivo. En este caso es importante contar con materiales que no requieran mucha energía para cambiar de fase. Pero también deben ser resistentes a cambios de fase no deseados y a la corrupción de datos durante largos períodos de tiempo.
“Lograr PDF con XFEL fue el resultado de un enorme esfuerzo organizacional”, dijo Ian Robinson, líder del grupo de dispersión de rayos X en Brookhaven Lab y profesor del Centro de Nanotecnología de Londres en el University College London (UCL). Por ejemplo, Robinson señaló: “Trabajamos con Sébastien Boutet y Vincent Esposito de LCLS para determinar que las líneas de luz de cristalografía macromolecular de femtosegundo (MFX) eran las más prometedoras para la técnica PDF”.
El equipo también incluyó a físicos de la Universidad de Columbia, la Universidad de Wisconsin, Madison, el Laboratorio Nacional Argonne del DOE y el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas del Reino Unido.
Con sus exitosos experimentos de prueba de principio, los investigadores estaban ansiosos por ver la transición a la segunda fase de los materiales cuánticos, que los científicos estudian como un “modelo” para otros materiales útiles. Y la estimulación del material con pulsos láser condujo a un descubrimiento interesante.
Desvelando una nueva fase material
Al igual que los aislantes en la transición metálica de este material cuántico, algunas transiciones materiales son impulsadas por cambios de temperatura, presión o campo magnético. Pero debido a que estos cambios ambientales pueden ocurrir de forma natural o no intencional, pueden resultar poco confiables para algunas aplicaciones. Cuando se trata de informática, es importante que los materiales encargados de almacenar archivos no cambien de fase solo porque la habitación hace demasiado calor o demasiado frío.
Así, los investigadores observaron las transiciones de “no equilibrio”, que son cambios en el estado del material causados por un desencadenante confiable y controlado. En este caso, atacaron el material cuántico con un pulso láser.
Aunque la luz láser perturbó sólo a unos pocos átomos, los vecinos de esos átomos respondieron al cambio. Y luego los vecinos de los vecinos sintieron el efecto, hasta que el cambio local se extendió por todo el material cuántico.
“Era como si un terremoto en el fondo del océano pudiera perturbar ligeramente el agua y crear una ola que eventualmente llegaría al fondo del océano”, añadió Billing.
Utilizando archivos PDF ultrarrápidos, los investigadores observaron de cerca el movimiento de los átomos mientras la muestra era bombardeada con pulsos láser. Y por primera vez, observaron directamente la transición del material cuántico a un nuevo estado que aún no había sido identificado.
“Fue como descubrir una nueva fase oculta de la materia que es inaccesible durante las transiciones de equilibrio”, dijo Bozen.
El descubrimiento de los científicos contribuyó a un debate que duró un año sobre lo que realmente sucede cuando ciertos materiales cuánticos son excitados por un láser. Esto no es lo mismo que simplemente calentar el material, sino la generación de un estado intermedio transitorio “metaestable”.
Curiosamente, el material estuvo corrompido durante decenas de picosegundos, “a pesar de que comenzó y terminó en un estado ordenado”, dijo Griffiths.
Robinson añadió: “El descubrimiento de un estado transitorio representa una nueva fase del material, que sólo sobrevive por un corto tiempo. Es una señal importante de que un material indetectable y completamente estable es una estructura cercana”.
Los científicos están ansiosos por descubrir estos materiales “ocultos”. Pero también quieren desbloquear todo el potencial de la nueva técnica PDF ultrarrápida.
“Hay muchas formas de cambios de fase complejos que se pueden encontrar en materiales cuánticos, y planeamos explorarlos con PDF ultrarrápido”, dijo Bozen. “Comprender estas transiciones de fase puede facilitar el desarrollo de materiales comerciales. Pero la comunidad científica puede utilizar la técnica para responder preguntas fundamentales de la física, explorar fenómenos ultrarrápidos y crear mejores superconductores”.
“Aunque hemos respondido preguntas sobre las rutas de transferencia de material, parece que hemos abierto una puerta en lugar de cerrarla”, añadió.
Al igual que este proyecto, People of the Future no tendrá éxito sin una colaboración multidisciplinaria.
“No utilizamos simplemente las instalaciones de LCLS en SLAC”, explicó Billing. “La gente allí también fue fundamental para que Ultrafast PDF fuera un éxito”.
El equipo de Brookhaven se compromete a mejorar la técnica de PDF ultrarrápida, especialmente cuando LCLS se actualice a LCLS-II-HE, lo que permitirá películas moleculares de resolución aún mayor.
“Existe un interés internacional en hacer de esto una técnica rutinaria y exitosa”, dijo Bozen, “y esperamos ser parte de eso”.
La preparación de la muestra se realizó en el Centro de Nanomateriales Funcionales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab. Se realizaron mediciones adicionales en Advanced Photon Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne.
Este trabajo fue apoyado principalmente por la Oficina de Ciencias del DOE.
