Por primera vez, los investigadores han podido registrar, cuadro por cuadro, cómo un electrón interactúa con ciertas vibraciones atómicas en un sólido. La técnica captura un proceso que comúnmente causa resistencia eléctrica en los materiales mientras que, en otros, puedecausar exactamente lo contrario: la ausencia de resistencia o superconductividad.
"La forma en que los electrones interactúan entre sí y su entorno microscópico determina las propiedades de todos los sólidos", dijo MengXing Na, estudiante de doctorado y coautor principal del estudio de la Universidad de Columbia Británica UBC, publicado la semana pasada en ciencia . "Una vez que identificamos las interacciones microscópicas dominantes que definen las propiedades de un material, podemos encontrar formas de 'subir' o 'bajar' la interacción para obtener propiedades electrónicas útiles".
Controlar estas interacciones es importante para la explotación tecnológica de los materiales cuánticos, incluidos los superconductores, que se utilizan en máquinas de resonancia magnética, trenes de levitación magnética de alta velocidad y que algún día podrían revolucionar la forma en que se transporta la energía.
A escalas pequeñas, los átomos en todos los sólidos vibran constantemente. Las colisiones entre un electrón y un átomo pueden verse como un evento de "dispersión" entre el electrón y la vibración, llamado un fonón. La dispersión puede hacer que el electrón cambie tanto sudirección y su energía. Tales interacciones electrón-fonón se encuentran en el corazón de muchas fases exóticas de la materia, donde los materiales muestran propiedades únicas.
Con el apoyo de la Fundación Gordon y Betty Moore, el equipo del Instituto de Materia Cuántica Stewart Blusson de UBC SBQMI desarrolló una nueva fuente de láser ultravioleta extremo para permitir una técnica llamada espectroscopía de fotoemisión con resolución temporal para visualizar procesos de dispersión de electrones ultrarrápidosescalas de tiempo.
"Usando un pulso láser ultracorto, alejamos los electrones individuales de su entorno de equilibrio habitual", dijo Na. "Usando un segundo pulso láser como obturador efectivo de la cámara, capturamos cómo los electrones se dispersan con los átomos circundantes en escalas de tiempo más rápido que unbillonésima de segundo. Debido a la muy alta sensibilidad de nuestra configuración, pudimos medir directamente, por primera vez, cómo interactuaban los electrones excitados con una vibración atómica o fonón específico ".
Los investigadores realizaron el experimento con grafito, una forma cristalina de carbono y el compuesto principal de nanotubos de carbono, bolas de Bucky y grafeno. La electrónica basada en carbono es una industria en crecimiento, y los procesos de dispersión que contribuyen a la resistencia eléctrica pueden limitar su aplicaciónen nanoelectrónica.
El enfoque aprovecha una instalación láser única concebida por David Jones y Andrea Damascelli, y desarrollada por el coautor Arthur Mills, en el Centro UBC-Moore para Materia Cuántica Ultrarrápida. El estudio también fue apoyado por colaboraciones teóricas con los grupos deThomas Devereaux en la Universidad de Stanford y Alexander Kemper en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.
"Gracias a los recientes avances en las fuentes de láser pulsado, apenas estamos comenzando a visualizar las propiedades dinámicas de los materiales cuánticos", dijo Jones, profesor del SBQMI de UBC y departamento de Física y Astronomía.
"Al aplicar estas técnicas pioneras, ahora estamos listos para revelar el misterio evasivo de la superconductividad a alta temperatura y muchos otros fenómenos fascinantes de la materia cuántica", dijo Damascelli, director científico de SBQMI.
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Materiales proporcionado por Universidad de Columbia Británica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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