Las transiciones de fase son ocurrencias comunes que cambian drásticamente las propiedades de un material, siendo la más familiar la transición sólido-líquido-gas en el agua. Cada fase corresponde a una nueva disposición de los átomos dentro del material, que dictan las propiedades delSi bien estos arreglos se pueden estudiar fácilmente en cada fase individualmente, es significativamente más difícil estudiar cómo cambian sus arreglos de un estado a otro durante una transición de fase. Esto se debe a que los átomos son increíblemente pequeños y las distancias a las que semovimiento son correspondientemente pequeños y, como resultado, pueden ocurrir muy rápidamente. Además, los materiales constan de más de 1023 átomos, lo que hace que sea extremadamente difícil rastrear sus movimientos individuales.
Un cambio de fase particularmente intrigante es la transición aislante-metal en el material Dióxido de vanadio VO 2 .A temperatura ambiente VO 2 es un aislante, y dentro del cristal, los iones de vanadio forman cadenas periódicas de pares de vanadio, conocidos como dímeros. Cuando este compuesto se calienta justo por encima de la temperatura ambiente, la estructura atómica cambia y los pares se rompen, pero el material permaneceAl mismo tiempo, la conductividad del material aumenta en más de 5 órdenes de magnitud y tiene una amplia gama de aplicaciones, desde control de clima sin energía hasta sensores infrarrojos.
Una de las propiedades intrigantes de VO 2 es que la transición de fase puede ocurrir increíblemente rápido y el único límite parece ser la rapidez con la que se puede calentar el sistema. Para explicar esta increíble velocidad, los científicos sugirieron que debe haber un movimiento cooperativo entre los iones de vanadio, es decir, cada vanadioel par se rompe de la misma manera al mismo tiempo.
Para comprender la estructura atómica de los materiales, los científicos utilizan una técnica conocida como difracción. Durante los últimos 30 años, este método se ha extendido para incluir la resolución temporal, con el objetivo de obtener la "película molecular", es decir, filmar directamenteel movimiento de los átomos durante la transición. Cuando esta técnica se aplicó por primera vez a VO 2 en 2007, pareció confirmar la imagen de movimiento coordinado.
Sin embargo, la difracción solo mide la posición atómica promedio y revela poca información sobre el camino real seguido por los átomos individuales involucrados. Por ejemplo, los manifestantes que marchan por la avenida Passeig de Gràcia en Barcelona se mueven de manera uniforme y coordinada, mientras que ungrupo de turistas puede cubrir la misma distancia, en promedio, pero de una manera completamente descoordinada, deambulando y deteniéndose al azar para mirar la arquitectura de la ciudad. En difracción, estos procesos se verían igual.
Ahora, en un estudio reciente, publicado en ciencia , los investigadores del ICFO, el Prof.Simon Wall, la estudiante de doctorado Luciana Vidas y el ex postdoctorado Timothy Miller, en colaboración con científicos de la Universidad de Duke, el Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC, el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón, la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge han utilizado unnueva técnica que es capaz de resolver las vías atómicas.
Para hacer esto, los investigadores utilizaron el primer láser de rayos X del mundo ubicado en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC. Esta nueva fuente de luz permitió a los investigadores examinar la estructura cristalina con detalles sin precedentes utilizando una técnica conocida como dispersión total de rayos X.En contraste con la opinión predominante, los autores encontraron que la ruptura de los pares de vanadio fue extremadamente desordenada y más parecida a los turistas que a los manifestantes.
Como comenta Simon Wall, primer autor del artículo: "Esta es la primera vez que realmente hemos podido observar cómo los átomos se reorganizan en una transición de fase sin asumir que el movimiento es uniforme y sugiere que la comprensión del libro de texto de estas transicionesnecesita ser reescrito. Ahora planeamos utilizar esta técnica para explorar más materiales para comprender cuán extendido está el papel del trastorno ".
Hasta la fecha, VO 2 se ha utilizado a menudo como una guía para comprender las fases en materiales más complejos, como los superconductores de alta temperatura. Por lo tanto, las lecciones aprendidas aquí sugieren que estos materiales también deberán ser reexaminados. Además, comprender el papel del desorden en la vibraciónLos materiales podrían implicar una nueva perspectiva sobre cómo controlar la materia, especialmente en el campo de la superconductividad, que podría tener importantes implicaciones para la nanotecnología y la optoelectrónica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por ICFO-Instituto de Ciencias Fotónicas . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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