Una animación muestra cómo un rayo láser infrarrojo (naranja) desencadena vibraciones atómicas en una fina capa de seleniuro de hierro, que luego se registran mediante pulsos de láser de rayos X ultrarrápidos para crear una película ultrarrápida. El movimiento de los átomos de selenio (rojo) cambia la energía de los orbitales de electrones de los átomos de hierro (azul), y las vibraciones de electrones resultantes se registran por separado con una técnica llamada ARPES (no mostrada). Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Los científicos del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford han realizado las primeras mediciones directas, y de lejos los más precisos, de cómo los electrones se mueven en sincronía con las vibraciones atómicas que ondulan a través de un material exótico, como si estuvieran bailando al mismo ritmo.
Las vibraciones se llaman fonones, y el acoplamiento electrón-fonón que midieron los investigadores fue 10 veces más fuerte de lo que la teoría había predicho, lo que lo hace lo suficientemente fuerte como para potencialmente desempeñar un papel en la superconductividad no convencional. lo que permite que los materiales conduzcan la electricidad sin pérdidas a temperaturas inesperadamente altas.
Y lo que es más, El enfoque que desarrollaron brinda a los científicos una forma completamente nueva y directa de estudiar una amplia gama de materiales "emergentes" cuyas propiedades sorprendentes surgen del comportamiento colectivo de partículas fundamentales. como los electrones. El nuevo enfoque investiga estos materiales solo a través de experimentos, en lugar de confiar en suposiciones basadas en la teoría.
Los experimentos se llevaron a cabo con láser de electrones libres de rayos X de fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC y con una técnica llamada espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) en el campus de Stanford. Los investigadores describieron el estudio hoy en Science.
Un enfoque de 'gran avance'
"Creo que este resultado tendrá varios impactos, "dijo Giulia Galli, profesor del Instituto de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago y científico principal del Laboratorio Nacional Argonne del DOE que no participó en el estudio.
"Por supuesto que han aplicado el método a un material muy importante, uno que todo el mundo ha intentado descifrar y comprender, y esto es genial ", dijo." Pero el hecho de que demuestren que son capaces de medir la interacción electrón-fonón, que es tan importante en tantos materiales y procesos físicos, esto, Yo creo, es un gran avance que allanará el camino a muchos otros experimentos con muchos otros materiales ".
La capacidad de realizar esta medición, ella añadió, permitirá a los científicos validar teorías y cálculos que describen y predicen la física de estos materiales de una manera que nunca antes pudieron hacer.
En esta ilustración, un rayo láser infrarrojo (naranja) desencadena vibraciones atómicas en una fina capa de seleniuro de hierro, que luego se registran mediante pulsos de láser de rayos X ultrarrápidos (blanco) para crear una película ultrarrápida. El movimiento de los átomos de selenio (rojo) cambia la energía de los orbitales de electrones de los átomos de hierro (azul), y las vibraciones de electrones resultantes se registran por separado con una técnica llamada ARPES (no mostrada). El acoplamiento de posiciones atómicas y energías electrónicas es mucho más fuerte de lo que se pensaba anteriormente y puede afectar significativamente la superconductividad del material. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
"Estas mediciones de precisión nos darán una visión profunda de cómo se comportan estos materiales, "dijo Zhi-Xun Shen, profesor de SLAC y Stanford e investigador del Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford (SIMES) que dirigió el estudio.
'Películas' extraordinariamente precisas
El equipo utilizó LCLS de SLAC para medir vibraciones atómicas y ARPES para medir la energía y el momento de los electrones en un material llamado seleniuro de hierro. La combinación de las dos técnicas les permitió observar el acoplamiento electrón-fonón con extraordinaria precisión, en una escala de tiempo de femtosegundos (millonésimas de mil millonésimas de segundo) y dentro de aproximadamente una milmillonésima parte del ancho de un cabello humano.
"Pudimos hacer una 'película, 'utilizando el equivalente a dos cámaras para registrar las vibraciones atómicas y los movimientos de los electrones, y demostrar que se mueven al mismo tiempo, como dos ondas estacionarias superpuestas, "dijo el coautor Shuolong Yang, investigador postdoctoral en la Universidad de Cornell.
"No es una película en el sentido corriente de imágenes que se pueden ver en una pantalla, ", dijo." Pero captura los movimientos de fonones y electrones en cuadros disparados 100 billones de veces por segundo, y podemos encadenar alrededor de 100 de ellos como cuadros de película para obtener una imagen completa de cómo están vinculados ".
El seleniuro de hierro que estudiaron es un material curioso. Se sabe que conduce electricidad sin pérdidas, pero solo a temperaturas extremadamente frías, y de una manera que no podría ser enteramente explicada por las teorías establecidas; por eso se le llama superconductor no convencional.
Buscando una pista intrigante
Pero hace cinco años un grupo de investigación en China informó una observación intrigante:cuando una capa atómicamente delgada de seleniuro de hierro se coloca encima de otro material llamado STO, llamado así por sus ingredientes principales, el estroncio, titanio y oxígeno:su temperatura superconductora máxima salta de 8 grados a 60 grados por encima del cero absoluto, o menos 213 grados Celsius. Aunque todavía hace mucho frío es una temperatura mucho más alta de lo que esperaban los científicos, y cae dentro del rango operativo de los llamados "superconductores de alta temperatura, "cuyo descubrimiento en 1986 desató un frenesí de investigación debido al impacto revolucionario que estos transmisores eléctricos perfectamente eficientes podrían tener en la sociedad.
SLAC / Profesor de Stanford Zhi-Xun Shen, izquierda, y Patrick Kirchmann, científico del personal de SLAC, con el instrumento ARPES utilizado para medir la energía y el momento de los electrones en una película de seleniuro de hierro. Crédito:Dawn Harmer / SLAC National Accelerator Laboratory
Siguiendo esta pista, El grupo de Shen examinó la misma combinación de materiales con ARPES. En un artículo de 2014 en Nature, Llegaron a la conclusión de que las vibraciones atómicas en el STO viajan hacia el seleniuro de hierro y dan a los electrones la energía adicional que necesitan para emparejarse y transportar electricidad con pérdida cero a temperaturas más altas de lo que lo harían por sí mismos.
Esto sugirió que los científicos podrían lograr temperaturas superconductoras máximas aún más altas cambiando una serie de variables, como la naturaleza del sustrato debajo de una película superconductora, todo al mismo tiempo.
Pero, ¿podría este acoplamiento de vibraciones atómicas y comportamiento colaborativo de los electrones también tener lugar solo en el seleniuro de hierro? sin un refuerzo de un sustrato? Eso es lo que pretendía averiguar el estudio actual.
Como tocar una campana con un martillo
El equipo de Shen hizo un más grueso, película de seleniuro de hierro atómicamente uniforme y golpearla con luz láser infrarroja para excitar sus vibraciones atómicas de 5 billones de veces por segundo, como golpear suavemente una campana con un pequeño martillo, Patrick Kirchmann, científico del personal de SLAC y coautor. Esto hizo que las vibraciones oscilaran en sincronía entre sí a lo largo de la película, para que pudieran observarse más fácilmente.
Luego, el equipo midió las vibraciones atómicas del material y el comportamiento de los electrones en dos experimentos separados. Yang que era un estudiante graduado de Stanford en ese momento, lideró la medición ARPES. Simon Gerber, investigador postdoctoral en el grupo de Shen, dirigió las mediciones de LCLS en SLAC; desde entonces se ha unido a SwissFEL en el Instituto Paul Scherrer en Suiza como científico de planta.
El nuevo estudio no prueba que el acoplamiento de vibraciones atómicas y electrónicas fuera responsable de aumentar la temperatura superconductora del seleniuro de hierro en los estudios anteriores. Dijo Kirchmann. Pero la combinación de láser de rayos X y observaciones ARPES debería proporcionar conocimientos nuevos y más sofisticados sobre la física de los sistemas de materiales donde varios factores están en juego al mismo tiempo. y es de esperar que el campo avance más rápido.
