Ilustración de una luz láser ultracorta que incide en un cristal de óxido de níquel y estroncio de lantano, provocando el derretimiento de franjas de escala atómica. Las cargas (amarillas) se vuelven móviles rápidamente mientras que las distorsiones del cristal reaccionan solo con retraso, exponiendo las interacciones subyacentes. Crédito:Robert Kaindl / Berkeley Lab
Las rayas se pueden encontrar en todas partes, desde cebras que deambulan por la naturaleza hasta la última moda. En el mundo de la física microscópica, Los electrones dentro de los llamados materiales cuánticos pueden formar patrones de franjas periódicas.
Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ahora han desenredado la intrigante dinámica de cómo se funden y forman tales franjas de escala atómica, proporcionando conocimientos fundamentales que podrían ser útiles en el desarrollo de nuevos materiales energéticos.
En materiales cuánticos fuertemente correlacionados, las interacciones entre los electrones reinan de forma suprema. El complejo acoplamiento de estos electrones entre sí, y con los espines de los electrones y las vibraciones de los cristales, da como resultado fases exóticas como el orden de carga o la superconductividad a alta temperatura.
"Un objetivo clave de la física de la materia condensada es comprender las fuerzas responsables de las fases complejas y las transiciones entre ellas, "dijo Robert Kaindl, investigador principal y científico de planta de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab. "Pero en el mundo microscópico, las interacciones suelen ser extremadamente rápidas. Si calentamos o enfriamos lentamente un material para cambiar su fase, podemos perdernos la acción subyacente ".
Kaindl y sus colegas han estado usando pulsos de láser ultrarrápidos para desentrañar la dinámica microscópica de materiales cuánticos correlacionados para acceder a las interacciones entre los electrones y con la red atómica del cristal en el dominio del tiempo.
Para este estudio, los investigadores trabajaron con niquelato de lantano, un material cuántico y un compuesto de bandas modelo. En particular, los investigadores investigaron las cargas electrónicas que forman el patrón de rayas y cómo se acoplan a la red cristalina.
La forma en que las cargas interactúan con el cristal es un ingrediente clave para la física de bandas, dijeron los investigadores.
Robert Kaindl (izquierda) y Giacomo Coslovich junto a la configuración experimental que genera pulsos de luz ultracortos en el rango espectral del infrarrojo cercano y terahercios. Crédito:Lingkun Zeng / Berkeley Lab
"La celosía de cristal se distorsiona fuertemente alrededor de las franjas de carga, "dijo Giacomo Coslovich, quien hizo el trabajo mientras era investigador postdoctoral en Berkeley Lab. "Este cambio de la simetría del cristal da como resultado nuevas vibraciones de celosía, que a su vez podemos detectar con luz a frecuencias de terahercios ".
Kaindl y Coslovich son los autores correspondientes de un artículo que informa estos resultados en Avances de la ciencia .
En sus experimentos, el material se excita ópticamente mediante un pulso láser de infrarrojo cercano con una duración de 50 femtosegundos, y sondeado con un pulso de terahercios con retardo de tiempo variable. Un femtosegundo es una millonésima de una mil millonésima de segundo.
Los investigadores encontraron una dinámica inesperada al usar el láser para alterar el orden microscópico.
"Lo interesante es que, si bien el láser excitó inmediatamente los electrones, las distorsiones vibratorias en el cristal inicialmente permanecieron congeladas, "dijo Coslovich, que ahora es científico asociado del Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC. "Las vibraciones de la fase de franjas desaparecieron sólo después de varios cientos o miles de femtosegundos. También concluimos que la velocidad depende de la dirección de las interacciones".
La interpretación de los experimentos fue apoyada por simulaciones de la dispersión de fonones de Alexander Kemper de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.
Los resultados proporcionan información importante sobre las interacciones, o "pegamento, "que unen electrones a vibraciones reticulares en el niquelato de lantano. Sin embargo, su relevancia más amplia proviene de observaciones recientes del orden de carga en superconductores de alta temperatura, materiales donde las corrientes eléctricas pueden fluir sin resistencia a temperaturas por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido. Si bien el mecanismo sigue siendo desconcertante, estudios recientes demostraron la capacidad de inducir superconductividad suprimiendo rayas con pulsos de luz cortos.
"Se cree que las franjas fluctuantes ocurren en superconductores no convencionales. Nuestro estudio pone un límite de velocidad a la rapidez con la que pueden cambiar esos patrones, ", dijo Kaindl." Destaca la importancia de considerar la estructura espacial y temporal del pegamento ".
