Los investigadores se asomaron detrás de la cortina de la transición de fase ultrarrápida del dióxido de vanadio y descubrieron que su función teatral atómica es mucho más complicada de lo que pensaban. Es un material que ha fascinado a los científicos durante décadas por su capacidad de pasar de ser un aislante eléctrico a unconductor.
El estudio, que aparece el 2 de noviembre en la revista ciencia , es una colaboración entre investigadores de la Universidad de Duke, el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en Stanford, el Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón.
El dióxido de vanadio ha sido estudiado intensamente por los investigadores durante más de cinco décadas debido a su capacidad inusual de cambiar de aislante a conductor a la temperatura convenientemente alcanzable de 152 grados Fahrenheit. Si bien otros materiales también son capaces de esta transición, la mayoría ocurre muy por debajotemperatura ambiente, lo que hace que el dióxido de vanadio sea una mejor opción para aplicaciones prácticas.
Más recientemente, los científicos de materiales han explorado cómo tiene lugar esta misma transición de fase cuando la estructura atómica del material es excitada por un pulso láser extremadamente rápido y extremadamente rápido. Lo que hace que el fenómeno sea tan difícil de estudiar es la notable velocidad a la que sucede:alrededor de 100 femtosegundos. Eso es una décima de una millonésima de una millonésima de segundo.
Sin embargo, los pulsos de rayos X ultrabrillantes en la fuente de luz coherente Linac LCLS de SLAC son aún más rápidos.
Al desencadenar la transición de fase eléctrica del dióxido de vanadio con un láser de femtosegundos y luego hacer ping a sus átomos con pulsos de rayos X de solo decenas de femtosegundos de largo, los investigadores pudieron observar cómo se desarrollaba la transición con todo detalle por primera vez. Descubrieron que, más bienque la transición de una estructura atómica a otra de manera directa y colaborativa, los átomos de vanadio llegaron a sus destinos a través de rutas más impredecibles e independientes entre sí.
"Se propuso que el material pasaría de una estructura cristalina a otra siguiendo un barajado determinista y bien definido", dijo Olivier Delaire, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en Duke y uno de los líderes delestudio ". En cambio, descubrimos que, incluso dentro de una sola transición, cada átomo está haciendo lo suyo independientemente de los demás".
"El trastorno que encontramos es muy fuerte, lo que significa que tenemos que repensar cómo estudiamos todos estos materiales que pensamos que se comportaban de manera uniforme", dijo Simon Wall, profesor asociado del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelonay uno de los líderes del estudio.
"No se mueven suavemente en sus nuevas posiciones como los miembros de la banda marchando por un campo; se tambalean como fiesteros dejando una barra a la hora de cierre", dijo Wall. "Si nuestro objetivo final es controlar el comportamiento de estos materialespara que podamos cambiarlos de una fase a otra, es mucho más difícil controlar el coro borracho que la banda de música ".
Para descifrar el significado de las observaciones experimentales, el grupo de Delaire en Duke también dirigió simulaciones de supercomputadoras de dinámica atómica en el material. Las simulaciones se ejecutaron en supercomputadoras en el Centro de Computación Científica de la Investigación Nacional de Energía y en la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge.
"Fue alucinante cuando mi alumna Shan Yang me mostró los resultados de sus simulaciones cuánticas de movimientos atómicos", continuó Delaire. "Coincidía casi perfectamente con las 'películas' experimentales de intensidades de rayos X grabadas, incluso sin la necesidadpara parámetros ajustables "
Los estudios anteriores no tenían acceso a la resolución espacial y temporal ofrecida por el LCLS, y solo podían medir promedios de los comportamientos atómicos del material. Debido a estas limitaciones, no podían ver la importancia de las desviaciones aleatorias de los movimientos promedio de vanadioátomos
Sin embargo, con la sensibilidad de la LCLS, los investigadores podrían obtener una imagen mucho más clara de lo que estaba sucediendo.
"Es algo así como los astrónomos que estudian el cielo nocturno", dijo Delaire. "Los estudios anteriores solo podían ver las estrellas más brillantes visibles a simple vista. Pero con los pulsos de rayos X ultrabrillantes y ultrarrápidos, pudimos ver el desmayoy señales difusas de la galaxia Vía Láctea entre ellos "
Este estudio, y otros similares, son clave para comprender el comportamiento de los materiales fotoexcitados. Por ejemplo, si se aprovecha adecuadamente, la reacción atómica del dióxido de vanadio revelada en este estudio podría formar la base de transistores ultrarrápidos para computadoras que combinan fotonesy electrones. Y los investigadores también están utilizando este concepto general en la búsqueda del sueño de los superconductores a temperatura ambiente.
"El nuevo conocimiento que adquirimos en el proceso de la transición foto-inducida de aislante a metal en dióxido de vanadio debería ser directamente relevante para reevaluar nuestra comprensión de otros materiales", dijo Delaire. "Estamos empezando aexplore este nuevo reino de poder controlar el comportamiento de los materiales con solo iluminarlos y combinar instalaciones de rayos X de última generación con supercomputadoras para seguir lo que está sucediendo. Y estamos descubriendo que la dinámica atómicainvolucrados son aún más complicados de lo que habíamos pensado anteriormente "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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