Atomic ‘GPS’: Transiciones de Material Cuántico Capturadas en las Primeras Películas Atómicas Jamás Realizadas

Los científicos de Brookhaven utilizaron su nueva técnica de función de distribución de pares ultrarrápidos (uf-PDF) para explorar la transición de un material cuántico a una fase material no descubierta previamente. El esquema anterior muestra cómo la absorción de un fotón láser inicia un pequeño cambio que se propaga a través del material a lo largo del tiempo, en lugar de cambiar instantáneamente todo el material. Crédito: Jack Griffiths/Brookhaven National Laboratory

Los científicos desarrollaron una técnica para crear películas atómicas que muestran la transición de un material cuántico de aislante a metal, descubriendo una nueva fase material y avanzando en la comprensión de las propiedades de los materiales con implicaciones significativas para el diseño de materiales.

Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los 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 ser un aislante a un metal. Con la ayuda de estas películas, los investigadores descubrieron una nueva fase material que resuelve un debate científico de años de duración y podría facilitar el diseño de nuevos materiales de transición con aplicaciones comerciales. Esta investigación, publicada recientemente en Nature Materials, marca un logro metodológico; los investigadores demostraron que una técnica de caracterización de materiales llamada análisis de la función de distribución de pares atómicos (PDF) es factible -y exitosa- en las instalaciones de láser de electrones libres de rayos X (XFEL). La PDF se emplea normalmente para experimentos con fuentes de luz de sincrotrón, durante los cuales las muestras son bombardeadas 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 esos materiales. Pero estos experimentos están limitados por los pulsos de rayos X más cortos que se pueden generar.

"Es como la velocidad de obturación de una cámara", explicó Jack Griffiths, coautor principal del artículo. "Si estás tomando una foto de algo que cambia más rápido que la velocidad de obturación de tu cámara, tu foto será borrosa. Al igual que una velocidad de obturación rápida, los pulsos de rayos X más cortos nos ayudan a ver materiales que cambian rápidamente con más detalle". Griffiths era investigador postdoctoral en el Grupo de Dispersión de Rayos X dentro del Departamento de Física de Materia Condensada y Ciencia de Materiales (CMPMS) de Brookhaven cuando se llevó a cabo la investigación y ahora es investigador postdoctoral en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Brookhaven.

Las fuentes de luz sincrotrón son excelentes para caracterizar materiales que no cambian o materiales que cambian en un lapso de minutos a horas, como las baterías cuando se cargan y descargan. Pero este grupo de científicos quería observar los cambios de los materiales en escalas de tiempo de picosegundos.

"Es difícil imaginar cuán rápido es realmente un picosegundo", dijo Griffiths. En un segundo, la luz puede viajar alrededor de la Tierra siete veces y media. Pero en un picosegundo, la luz solo puede viajar un tercio de milímetro. "Las escalas de tiempo son casi incomparables".

Por ello, los científicos aplicaron la técnica PDF a un XFEL llamado Linac Coherent Light Source (LCLS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía que genera pulsos de rayos X increíblemente brillantes y cortos.

“Cuando haces algo por primera vez, siempre existe este aspecto de lo desconocido. Puede ser estresante, pero también muy emocionante”, dijo Emil Bozin, el otro coautor principal y físico del Grupo de Dispersión de Rayos X del CMPMS. “Sabíamos las limitaciones fundamentales de aplicar PDF a un XFEL, pero realmente no sabíamos qué esperar”.

Simon Billinge, coautor del estudio, que tiene un puesto conjunto en Brookhaven Lab y la Universidad de Columbia. Crédito: Timothy Lee/Columbia Engineering

Con la rápida “velocidad de obturación” del LCLS, los científicos pudieron crear películas que ilustran el movimiento atómico, como el que ocurre cuando su muestra de material cuántico pasa de ser un metal a un aislante. “Me quedé impresionado por lo bien que funcionó”, dijo Simon Billinge, 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”, agregó Billinge. “Sabes dónde estás ahora y cuál es tu destino, pero necesitas que la aplicación te dé una ruta o algunas opciones de ruta. Ultrafast PDF fue nuestra aplicación de navegación”.

Entender estas rutas atómicas es un primer paso importante para diseñar materiales de transición con una gran variedad de aplicaciones en informática, química y almacenamiento de energía. Una vez que los científicos entienden cómo se produce la transición de los materiales, pueden manipular las rutas atómicas y diseñar materiales optimizados para aplicaciones comerciales. Los materiales de memoria de computadora, por ejemplo, pasan a una fase diferente cuando se guarda un archivo. En este caso, es importante tener materiales que no requieran mucha energía para cambiar de fase. Pero también tienen que ser resistentes a cambios de fase no deseados y corrupción de datos a largo plazo.