Obtención de imágenes de interacciones entre electrones y redes a escala atómica:un pulso láser (haz rojo procedente de la derecha) da a los electrones de un óxido de manganeso una "patada" de energía, mientras que un haz de electrones de alta energía (azul) sondea la estructura atómica. Las manchas circulares y en forma de varilla representan nubes de electrones esféricas y alargadas en los átomos de manganeso. Los átomos de oxígeno (no mostrados) forman octaedros regulares y alargados alrededor de los átomos de manganeso. La variación del tiempo de demora entre el pulso y la sonda revela cambios sutiles resueltos en el tiempo en las disposiciones atómicas a medida que la red responde a los electrones levantados. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Mucha gente imagina 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 con "electrones fuertemente correlacionados" como los superconductores de alta temperatura y 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 la dispersión de electrones 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 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. ha producido evidencia definitiva de que el movimiento de los electrones tiene un efecto directo sobre los arreglos atómicos, impulsando deformaciones en la red cristalina 3D de un material de formas que pueden alterar drásticamente el flujo de corriente. Encontrando evidencia de estas fuertes interacciones entre electrones y redes, conocidos 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 otras propiedades prometedoras.
Como se describe en un artículo recién publicado en la revista Nature Partner Materiales cuánticos npj , el equipo desarrolló un sistema de "difracción de electrones ultrarrápida", una nueva técnica de imágenes impulsada por láser y la primera de su tipo en el mundo, para capturar las sutiles distorsiones de la red a escala atómica. El método tiene una aplicación potencial generalizada para el estudio de otros procesos dinámicos.
"La técnica es similar a usar fotografía estroboscópica para revelar la trayectoria de una pelota, ", dijo Zhu." Usando diferentes demoras de tiempo entre lanzar la pelota y tomar la foto, puedes capturar la acción dinámica, " él dijo.
Pero para imaginar la dinámica a escala atómica, necesita un flash mucho más rápido y una forma de poner en movimiento 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, un segundo láser dividido del primero genera ráfagas muy rápidas de electrones de alta energía (2,8 megaelectrones-voltios) para sondear la muestra. Los electrones que componen estos "destellos" de 130 femtosegundos, cada uno de los cuales dura solo 0. 00000000000013 segundos, se dispersan fuera de la muestra y crean patrones de difracción que revelan las posiciones de los átomos. Variando el tiempo de retardo entre el pulso y la sonda, los científicos pueden capturar los cambios sutiles en los arreglos atómicos a medida que la red responde a los electrones "impulsados".
"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, Este 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:esta ilustración muestra cómo la disposición de los átomos en la red cristalina (p. Ej., oxígeno, se muestra en verde) y las formas de la nube de electrones se mueven para tratar de acomodarse entre sí en un empujón, arreglo para tirar de ti. Esta etapa intermedia en respuesta al impulso de energía del pulso láser es parte de un proceso de relajación de dos pasos que prueba la existencia de polarones. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Resultados clave
Los científicos utilizaron esta técnica para estudiar las interacciones de la red de electrones en un óxido de manganeso, un material de interés desde hace mucho tiempo debido a cuán dramáticamente su conductividad puede verse afectada por la presencia de un campo magnético. Detectaron una firma reveladora de electrones que interactúan y alteran la forma de la red atómica, a saber, una "relajación" de dos pasos exhibida por los electrones impulsados hacia arriba y sus átomos circundantes.
En una relajación normal de un paso, los electrones impulsados por un estallido de energía de un lugar atómico a otro adaptan rápidamente su "forma" al nuevo entorno.
"Pero en materiales fuertemente correlacionados, los electrones se ralentizan por interacciones con otros electrones e interacciones con la red, "dijo Weiguo Yin, otro físico de Brookhaven que trabaja en el estudio. "Es como un embotellamiento con muchos autos moviéndose más lentamente".
En efecto, los electrones cargados negativamente y los núcleos atómicos cargados positivamente responden entre sí de una manera que hace que cada uno trate de adaptarse a la "forma" del otro. Entonces, una nube de electrones alargada, al entrar en un espacio atómico simétrico, comienza a asumir una forma más esférica, mientras que al mismo tiempo, los átomos que forman la red, cambie de posición para tratar de acomodar la nube de electrones alargada. En el segundo paso, este en el medio, empujarme, El arreglo pull-you se relaja gradualmente hasta alcanzar 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 de la red interactúan 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 de la red ayuda a generar la enorme disminución de la resistencia eléctrica que experimentan las manganitas en un campo magnético, un efecto conocido como magnetorresistencia colosal.
"Las formas de las nubes de electrones están vinculadas a los atributos magnéticos de los electrones, "Yin explicó." 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 empujón juego de tirar, las cargas eléctricas pueden fluir más fácilmente ".
Este trabajo muestra que un láser ultrarrápido puede modificar rápidamente componentes electrónicos, magnético, y dinámica de celosía en materiales electrónicos fuertemente correlacionados, un enfoque que podría resultar en nuevas aplicaciones técnicas prometedoras, como memoria ultrarrápida u otros dispositivos electrónicos de alta velocidad.
"Nuestro método se puede utilizar para comprender mejor estas interacciones dinámicas, y sugiere que también será útil para estudiar otros procesos dinámicos para descubrir estados ocultos y otros comportamientos materiales exóticos, "dijo Zhu.