Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han creado películas atómicas por primera vez para mostrar cómo los átomos se reorganizan localmente en un material cuántico a medida que se transforma de un aislante a un metal. Con estas películas, los investigadores han descubierto una nueva fase material que pone fin a un debate científico de años y podría facilitar el diseño de nuevos materiales transformadores con aplicaciones comerciales.
Esta investigación fue publicada recientemente materiales de la naturaleza, marca un logro sistemático; Los investigadores han demostrado que una técnica de caracterización de materiales llamada análisis de la función de distribución de pares atómicos (PDF) es posible (y exitosa) en instalaciones de láser de electrones libres de rayos X (XFEL). El PDF se emplea 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 dispersión de rayos X después de interactuar con la materia, los científicos pueden comprender mejor las propiedades de esos 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 se mueve 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 ayudan a ver el contenido que se mueve rápidamente con mayor detalle”. Griffiths fue investigador postdoctoral en el grupo de dispersión de rayos X dentro del departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencia de Materiales (CMPMS) de Brookhaven y ahora es investigador postdoctoral en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II), un DOE. Oficina de instalaciones para usuarios científicos en Brookhaven Labs.
Las fuentes de luz de sincrotrón son excelentes para caracterizar materiales que no cambian o materiales que cambian en unos pocos minutos, como la carga y descarga de las baterías. Pero este equipo de científicos quería observar cambios materiales en la 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 a la Tierra en un segundo. Pero en un picosegundo, la luz sólo puede viajar un tercio de milímetro. “La escala de tiempo es casi incomparable”.
Entonces, los científicos llevaron la técnica PDF a un XFEL llamado Linac Coherent Light Source (LCLS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del DOE que produce pulsos de rayos X increíblemente brillantes y cortos.
“Cuando haces algo por primera vez, siempre existe ese aspecto de lo desconocido. Puede ser estresante pero también muy emocionante”, dijo Emile Bozin, el otro coautor principal de CMPMS X-rays y físico. . Grupo de dispersión. “Conocíamos las limitaciones clave de llevar PDF a un XFEL, pero realmente no sabíamos qué esperar”.
Con la rápida “velocidad de obturación” de LCLS, los científicos pudieron crear películas que ilustran los movimientos atómicos que ocurren 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 similar a necesitar una aplicación de navegación”, añadió Billinge. “Sabes dónde estás ahora y cuál es tu destino, pero necesitas una aplicación que te proporcione una ruta o 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 transformadores con innumerables aplicaciones en informática, química y almacenamiento de energía. Una vez que los científicos comprendan cómo se mueven los materiales, podrán manipular las rutas atómicas y optimizar los materiales para aplicaciones comerciales. Los materiales de la memoria de la computadora, por ejemplo, se transfieren a una etapa diferente cuando se guarda un archivo. En este caso es importante contar con materiales que no requieran mucha energía para cambiar de fase. Pero deben ser resistentes a cambios de fase no deseados y a la corrupción de datos durante largos períodos de tiempo.
“Obtener el PDF trabajando con un 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: “Coordinamos estrechamente con Sébastien Boutet y Vincent Esposito de LCLS para encontrar las líneas de luz de cristalografía macromolecular de femtosegundo (MFX) 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 su exitoso experimento de prueba de principio, los investigadores estaban interesados en ver otra transición de fase de los materiales cuánticos, que los científicos estudian como “modelos” para otros materiales útiles. Y la excitación del material con un pulso láser condujo a un descubrimiento apasionante.
Desvelando una nueva fase material
Al igual que la transición de metal a aislante de estos materiales cuánticos, algunas transiciones de materiales están impulsadas por cambios de temperatura, presión o campo magnético. Pero debido a que estos cambios ambientales pueden ocurrir de forma natural o involuntaria, pueden resultar poco confiables para algunas aplicaciones. En informática, es importante que los componentes responsables de almacenar archivos no cambien de fase sólo porque una habitación esté demasiado caliente o demasiado fría.
Así, los investigadores observaron los cambios de “no equilibrio” en las condiciones materiales inducidos por un desencadenante fiable y controlable. En este caso, atacaron el material cuántico con un pulso láser.
Aunque la luz láser sólo alteró 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 propagó por todo el material cuántico.
“Fue como un terremoto en el fondo del océano que puede perturbar un poco de agua y crear una ola que finalmente llega al borde del océano”, añadió Billing.
Utilizando archivos PDF ultrarrápidos, los investigadores monitorearon de cerca el movimiento atómico 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 detectado.
“Fue como descubrir una nueva fase oculta de la materia que era inaccesible durante la transición del equilibrio”, dijo Bozin.
El descubrimiento de los científicos contribuyó a un largo debate sobre lo que realmente sucede cuando cierta materia cuántica es excitada por un láser; No se trata sólo del calentamiento del material, sino de la generación de un estado intermedio transitorio “metaestable”.
Curiosamente, el material estuvo distorsionado durante decenas de picosegundos, “a pesar de que comenzó y terminó en una secuencia”, dijo Griffiths.
Robinson añadió: “El descubrimiento de un estado transitorio representa una nueva fase del material, que es de corta duración. Es una señal importante de que un material no descubierto y completamente estable puede encontrarse en una composición cercana”.
Los científicos están interesados en descubrir estos materiales “ocultos”. Pero quieren desbloquear todo el potencial de la nueva técnica de PDF ultrarrápida.
“Los materiales cuánticos muestran una variedad de cambios de fase complejos y planeamos explorarlos con PDF ultrarrápido”, dijo Bozin. “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 construir mejores superconductores”.
Y añadió: “Aunque hemos respondido preguntas sobre las vías de transferencia de materiales, parece que hemos abierto una puerta en lugar de cerrarla”.
Como ocurre con este proyecto, el futuro no será exitoso sin una colaboración multidisciplinar.
“Simplemente no utilizamos las instalaciones de LCLS en SLAC”, explicó Billinge. “La gente allí también fue fundamental para que Ultrafast PDF fuera un éxito”.
El equipo de Brookhaven está preparado para optimizar la técnica de PDF ultrarrápida, especialmente ahora que LCLS se actualiza a LCLS-II-HE, lo que permitirá películas moleculares de resolución aún mayor.
“Existe interés internacional en hacer de esto una técnica rutinaria y exitosa”, dijo Bozin. “Y esperamos ser parte de ello”.
Las muestras se prepararon en la Oficina del Centro de Nanomateriales Funcionales para Usuarios Científicos de la Oficina del DOE en Brookhaven Lab. Se tomaron 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.