Muchas personas imaginan la conductividad eléctrica como el flujo de partículas cargadas principalmente electrones sin pensar realmente en la estructura atómica del material a través del cual se mueven esas cargas. Pero los científicos que estudian materiales "fuertemente correlacionados" como los superconductores de alta temperaturay aquellos con fuertes respuestas al magnetismo saben que la imagen es demasiado simplista. Saben que los átomos juegan un papel crucial en la determinación de las propiedades de un material.
Por ejemplo, la resistencia eléctrica es una manifestación de electrones dispersándose de los átomos. Menos evidente es el concepto de que los electrones y los átomos pueden moverse cooperativamente para detener el flujo de carga, o, en el otro extremo, hacer que los electrones fluyan libremente sin resistencia.
Ahora, un equipo dirigido por el físico Yimei Zhu del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Ha producido pruebas definitivas de que el movimiento de electrones tiene un efecto directo sobre los arreglos atómicos, impulsando las deformaciones en la red cristalina 3D de un material de manera drásticaalterar el flujo de corriente. Encontrar evidencia de estas fuertes interacciones entre la red de electrones, conocidas como polarones, enfatiza la necesidad de cuantificar su impacto en fenómenos complejos como la superconductividad la capacidad de algunos materiales para transportar corriente sin pérdida de energía y otros prometedorespropiedades.
Como se describe en un artículo recién publicado en el Naturaleza diario de socios npj Materiales cuánticos el equipo desarrolló un sistema de "difracción de electrones ultrarrápida", una nueva técnica de imagen impulsada por láser y la primera de su tipo en el mundo, para capturar las sutiles distorsiones de la red de escala atómica. El método tiene una aplicación potencial muy extendida para estudiarotros procesos dinámicos
"La técnica es similar al uso de fotografía estroboscópica para revelar la trayectoria de una pelota", dijo Zhu. "Usando diferentes retrasos de tiempo entre lanzar la pelota y tomar la foto, puedes capturar la acción dinámica", dijo.
Pero para la dinámica de la imagen a escala atómica, necesita un flash mucho más rápido y una forma de poner en movimiento los objetos de escala subatómica.
La máquina desarrollada por el equipo de Brookhaven utiliza un pulso láser para dar a los electrones en un material de muestra una "patada" de energía. Al mismo tiempo, una segunda división láser de la primera genera ráfagas muy rápidas de alta energía 2.8 megaelectrones-voltios para sondear la muestra. Los electrones que forman estos "destellos" de 130 femtosegundos, cada uno de los cuales dura solo 0. 00000000000013 segundos, dispersan la muestra y crean patrones de difracción que revelan las posiciones de los átomos.Al variar el tiempo de retraso entre pulso y el sonda , los científicos pueden capturar los cambios sutiles en las disposiciones atómicas a medida que la red responde a los electrones "activados".
"Esto es similar a la difracción de rayos X, pero al usar electrones obtenemos una señal mucho más grande, y la alta energía de los electrones de la sonda nos da un mejor acceso para medir el movimiento preciso de los átomos", dijo Zhu. Además, suEl microscopio se puede construir por una fracción de lo que costaría construir una fuente de luz de rayos X ultrarrápida ". Esta es una máquina 'hecha en casa'".
Hallazgos clave
Los científicos utilizaron esta técnica para estudiar las interacciones entre la red de electrones en un óxido de manganeso, un material de interés de larga data debido a lo dramáticamente que su conductividad puede verse afectada por la presencia de un campo magnético. Detectaron una firma reveladora de electronesinteractuando y alterando la forma de la red atómica, es decir, una "relajación" de dos pasos exhibida por los electrones activados y sus átomos circundantes.
En una relajación normal de un paso, los electrones activados por una explosión de energía de una ubicación atómica a otra adaptan rápidamente su "forma" al nuevo entorno.
"Pero en materiales fuertemente correlacionados, los electrones se ralentizan por las interacciones con otros electrones y las interacciones con la red", dijo Weiguo Yin, otro físico de Brookhaven que trabaja en el estudio. "Es como un atasco de tráfico con muchos automóviles en movimiento másdespacio."
En efecto, los electrones cargados negativamente y los núcleos atómicos cargados positivamente se responden entre sí de una manera que hace que cada uno trate de acomodar la "forma" del otro. Entonces, una nube de electrones alargada, al entrar en un espacio atómico simétrico, comienza aasume una forma más esférica, mientras que al mismo tiempo, los átomos que componen la red, cambian de posición para tratar de acomodar la nube de electrones alargada. En el segundo paso, esta disposición intermedia, empuja, tira de ti gradualmentese relaja a lo que se esperaría en una relajación de un solo paso.
"Este comportamiento de dos pasos, que podemos ver con nuestra difracción de electrones ultrarrápida, es la prueba de que las vibraciones reticulares están interactuando con los electrones de manera oportuna. Son la prueba de que existen los polarones", dijo Yin.
El hallazgo da una idea de cómo la respuesta reticular ayuda a generar la enorme disminución de la resistencia eléctrica que experimentan las manganitas en un campo magnético, un efecto conocido como colosal magnetoresistance.
"Las formas de las nubes de electrones están vinculadas a los atributos magnéticos de los electrones", explicó Yin. "Cuando los momentos magnéticos de los electrones se alinean en un campo magnético, la forma de la nube de electrones y la disposición atómica se vuelven más simétricas y homogéneas.Sin la necesidad de jugar al juego push-me, pull-you, las cargas eléctricas pueden fluir más fácilmente ".
Este trabajo muestra que un láser ultrarrápido puede modificar rápidamente la dinámica electrónica, magnética y reticular en materiales electrónicos fuertemente correlacionados, un enfoque que podría dar lugar a nuevas aplicaciones técnicas prometedoras, como memoria ultrarrápida u otros dispositivos electrónicos de alta velocidad.
"Nuestro método puede usarse para comprender mejor estas interacciones dinámicas, y sugiere que también será útil para estudiar otros procesos dinámicos para descubrir estados ocultos y otros comportamientos de materiales exóticos", dijo Zhu.
Otros científicos de Brookhaven Lab involucrados en el proyecto incluyen a Junjie Li, Xijie Wang, Pengfei Zhu, Lijun Wu, Tatiana Konstantinova, Jing Tao, John Hill y James Misewich, en colaboración con investigadores de la Universidad de Rutgers y la Universidad de Princeton. El papel de Brookhaven enEl trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencia del DOE y por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de Brookhaven.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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