Estos gráficos muestran cómo los grupos de átomos vibran juntos. Los grandes picos de color rojo oscuro son áreas donde las vibraciones se detienen y los átomos se estabilizan. Note la similitud entre el modelo teórico (derecha) y lo que realmente midió el experimento (izquierda). Crédito:Olivier Delaire, Universidad de Duke
Al rebotar neutrones de los átomos de manganita de itrio (YMnO 3 ) calentado a 3, 000 grados Fahrenheit, los investigadores han descubierto los mecanismos atómicos que dan al material inusual sus raras propiedades electromagnéticas. El descubrimiento podría ayudar a los científicos a desarrollar nuevos materiales con propiedades similares para nuevos dispositivos informáticos y microactuadores.
El experimento se llevó a cabo como una colaboración entre la Universidad de Duke y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) y apareció en línea en Comunicaciones de la naturaleza el 2 de enero 2018.
Ferromagnetismo es el término científico para el fenómeno responsable de los imanes permanentes como el hierro. Tales materiales existen porque su estructura molecular consiste en diminutos parches magnéticos que apuntan en la misma dirección. Cada parche o dominio, se dice que tiene un momento dipolar magnético, con un polo norte y un polo sur, cuales, agregado junto, producen los campos magnéticos que se ven con tanta frecuencia en las puertas de los refrigeradores.
La ferroelectricidad es una propiedad similar, pero más raro y difícil de conceptualizar. De la misma manera que un imán permanente, un material ferroeléctrico consta de dominios con momentos dipolares eléctricos alineados entre sí. Esto produce un campo eléctrico permanente de origen natural, como una colección de globos microscópicos con una carga duradera de electricidad estática.
La manganita de itrio es uno de los pocos materiales que combinan tanto la propiedad ferroeléctrica como el ordenamiento magnético a temperaturas extremadamente frías. Esta rara combinación presenta la interesante posibilidad de controlar las propiedades magnéticas del material con electricidad y viceversa. Aprovechar esta capacidad podría permitir a los científicos crear computadoras más eficientes basadas en estados de cuatro dígitos en lugar de solo los 1 y 0 de hoy al cambiar los estados eléctricos y magnéticos. así como nuevos tipos de sensores y convertidores de energía.
"Estos llamados materiales ferroicos múltiples son muy raros, "dijo Olivier Delaire, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales y de física en Duke. "Pero si podemos comprender los mecanismos de lo que está sucediendo a nivel atómico, tenemos más posibilidades de diseñar y descubrir más materiales que permitan nuevas tecnologías ".
Debido a que el comportamiento ferroeléctrico de la manganita de itrio solo se apaga por encima de los 3000 grados Fahrenheit, los investigadores nunca han podido sondear las ondas de vibración atómica que producen la disposición deseada de dipolos eléctricos microscópicos. Si bien se han teorizado los fundamentos moleculares de las propiedades ferroeléctricas de itrio manganita, nunca ha habido mediciones directas para probarlos.
Para determinar cómo surge la propiedad, Los investigadores deben probar las vibraciones ondulantes del apilamiento de átomos en el material, que oscilan a frecuencias superiores a mil billones de veces por segundo. También deben hacer esto tanto por encima como por debajo de la temperatura de conmutación ferroeléctrica de 3000 grados, que es una tarea ardua, por decir lo menos. Pero eso es precisamente lo que hicieron los investigadores.
"Fue un desafío medir las oscilaciones atómicas por encima de 3000 Fahrenheit, "dijo Dipanshu Bansal, becario postdoctoral en el grupo de investigación Delaire en Duke y autor principal del estudio. "Requería haces de neutrones de alta intensidad, materiales especiales de alta temperatura y un horno de atmósfera controlada que calienta la muestra en el aire para evitar la descomposición de la muestra, lo que de otro modo sucedería en un horno de vacío más estándar ".
Los experimentos consistieron en disparar la muestra extremadamente caliente de manganita de itrio con neutrones. Al detectar dónde terminaron los neutrones después de chocar con los átomos de la muestra, los investigadores pudieron determinar dónde estaban los átomos y cómo oscilaban colectivamente. Hay muy pocos lugares en el mundo que tengan tales capacidades, y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, a unas horas en coche de Duke, pasa a albergar tanto el reactor de isótopos de alto flujo como la fuente de neutrones de espalación, la fuente más poderosa de rayos de neutrones del mundo.
Los investigadores probaron el material utilizando neutrones en varias energías y longitudes de onda, dando una imagen general de sus comportamientos atómicos. Descubrieron que por encima de la temperatura de transición, cierto grupo de átomos podía moverse libremente y vibraba juntos de una manera particular. Pero a medida que el material se enfriaba y cambiaba de fase, esos átomos se congelaron en la disposición cristalina permanente que es responsable de las propiedades ferroeléctricas.
Y para confirmar los resultados de los neutrones, Los investigadores también utilizaron haces de rayos X ultrabrillantes en la Fuente de Fotones Avanzados en el Laboratorio Nacional Argonne y realizaron simulaciones cuánticas a gran escala del comportamiento atómico con las supercomputadoras del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
"Este material nunca antes se había entendido en un nivel atomístico tan fino, ", dijeron Bansal y Delaire." Hemos tenido teorías sobre la importancia de las oscilaciones atómicas, pero esta es la primera vez que los confirmamos directamente. Nuestros resultados experimentales permitirán a los investigadores refinar las teorías y crear mejores modelos de estos materiales para que podamos diseñar otros aún mejores en el futuro ".
