El equipo de Brookhaven / Stony Brook (desde la izquierda):Junjie Li, Yimei Zhu, Lijun Wu, Tatiana Konstantinova, y Peter Johnson. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Manipular el flujo de energía a través de superconductores podría transformar radicalmente la tecnología, quizás conduciendo a aplicaciones como ultrarrápida, Computadoras cuánticas altamente eficientes. Pero estas dinámicas sutiles, incluida la dispersión del calor, se desarrollan con una velocidad absurda a través de estructuras subatómicas vertiginosas.
Ahora, Los científicos han rastreado interacciones nunca antes vistas entre los electrones y la estructura de la red cristalina de los superconductores de óxido de cobre. La colaboración, dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), logró una precisión de medición más rápida que una billonésima de segundo a través de una combinación innovadora de técnicas experimentales.
"Este avance ofrece conocimiento fundamental de las características desconcertantes de estos materiales notables, "dijo el científico de Brookhaven Lab, Yimei Zhu, quien dirigió la investigación. "Ya teníamos evidencia de cómo las vibraciones reticulares impactan la actividad de los electrones y dispersan el calor, pero todo fue por deducción. Ahora, finalmente, podemos verlo directamente ".
Los resultados, publicado el 27 de abril en la revista Avances de la ciencia , podría hacer avanzar la investigación en poderosos, fenómenos fugaces que se encuentran en los óxidos de cobre, incluida la superconductividad de alta temperatura, y ayudan a los científicos a diseñar nuevos materiales de mejor rendimiento.
"Encontramos un paisaje atómico lleno de matices, donde ciertos de alta frecuencia, Las vibraciones 'calientes' dentro del superconductor absorben rápidamente la energía de los electrones y aumentan de intensidad, "dijo la primera autora Tatiana Konstantinova, un doctorado estudiante de la Universidad de Stony Brook haciendo su trabajo de tesis en Brookhaven Lab. "Otras secciones de la celosía, sin embargo, fueron lentos en reaccionar. Ver este tipo de interacción escalonada transforma nuestra comprensión de los óxidos de cobre ".
Los científicos utilizaron espectroscopía de fotoemisión y difracción de electrones ultrarrápida para observar cambios en la energía y el momento de los electrones, así como fluctuaciones en la estructura atómica.
Otras instituciones colaboradoras incluyen SLAC National Accelerator Laboratory, Universidad Estatal de Carolina del Norte, Universidad de Georgetown, y la Universidad de Duisburg-Essen en Alemania.
Vibraciones a través de un árbol cristalino.
El equipo eligió Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 , un óxido de cobre superconductor bien conocido que exhibe las fuertes interacciones centrales del estudio. Incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto, la red atómica cristalina vibra y pulsos de energía muy leves pueden hacer que las vibraciones aumenten en amplitud.
"Estas vibraciones atómicas están reglamentadas y son discretas, lo que significa que se dividen en frecuencias específicas, ", Dijo Zhu." Llamamos fonones a las vibraciones con frecuencias específicas, 'y sus interacciones con los electrones que fluyen fueron nuestro objetivo ".
Este sistema de interacciones es un poco como la distribución del agua a través de un árbol, Konstantinova explicó. Expuesto a la lluvia, solo las raíces pueden absorber el agua antes de esparcirla por el tronco y las ramas.
"Aquí, el agua es como energía, lloviendo sobre la estructura ramificada del superconductor, y el suelo es como nuestros electrones, ", Dijo Konstantinova." Pero esos electrones solo interactuarán con ciertos fonones, cuales, Sucesivamente, redistribuir la energía. Esos fonones son como los ocultos 'raíces' altamente interactivas que necesitábamos detectar ".
Instantáneas atómicas controladas por haz
Los átomos se flexionan y cambian en escalas de tiempo extremadamente rápidas:piense en 100 femtosegundos, o una millonésima parte de un segundo, y esos movimientos deben identificarse para comprender su efecto. Y, idealmente, diseccionar y manipular esas interacciones.
El equipo utilizó un compuesto en capas a base de bismuto, que se puede dividir en muestras de 100 nanómetros mediante la aplicación relativamente simple de cinta adhesiva.
A continuación, el material se probó utilizando la técnica denominada "bomba-sonda" de difracción de electrones ultrarrápida de un millón de electrones-voltios (MeV-UED). Como en experimentos similares de resolución temporal, un pulso de luz rápido (bomba) golpeó la muestra, durando solo 100 femtosegundos y depositando energía. Siguió un haz de electrones, rebotó en la celosía de cristal, y un detector midió su patrón de difracción. La repetición de este proceso, como una serie de instantáneas atómicas, reveló la rapidez, cambio sutil de vibraciones atómicas a lo largo del tiempo.
Después de los experimentos iniciales de MeV-UED en Brookhaven Lab, la recopilación de datos se llevó a cabo en las instalaciones de UED del Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC durante la reubicación del instrumento Brookhaven en otro edificio. Colegas en las instalaciones de SLAC UED, dirigido por Xijie Wang, asistido en el experimento.
La difracción de electrones, sin embargo, solo proporcionó la mitad de la imagen. Usando espectroscopía de fotoemisión resuelta en tiempo y ángulo (tr-ARPES), el equipo rastreó los cambios en los electrones dentro del material. Un láser inicial golpeó la muestra y un segundo siguió rápidamente, nuevamente con una precisión de 100 femtosegundos, para expulsar los electrones de la superficie. La detección de esos electrones voladores reveló cambios a lo largo del tiempo tanto en energía como en impulso.
Los experimentos de tr-ARPES se llevaron a cabo en las instalaciones de la Universidad de Duisburg-Essen por los científicos de Brookhaven Lab, Jonathan Rameau y Peter Johnson, y sus colegas alemanes. Científicos de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y la Universidad de Georgetown brindaron apoyo teórico.
"Ambas técnicas experimentales son bastante sofisticadas y requieren esfuerzos de expertos en múltiples disciplinas, desde la óptica láser hasta los aceleradores y la física de la materia condensada, ", Dijo Konstantinova." El calibre de los instrumentos y la calidad de la muestra nos permitió distinguir entre diferentes tipos de vibraciones de celosía ".
El equipo demostró que las vibraciones atómicas evidentes en las interacciones entre electrones y redes son variadas y, en algunas formas, contraintuitivo.
Cuando la red absorbe energía de los electrones, la amplitud de los fonones de alta frecuencia aumenta primero mientras que las vibraciones de frecuencia más baja aumentan al final. Las diferentes tasas de flujo de energía entre vibraciones significa que la muestra, cuando se somete a una explosión de fotones, avanza a través de etapas novedosas que se evitarían si simplemente se expusieran al calor.
"Nuestros datos guían las nuevas descripciones cuantitativas del comportamiento de desequilibrio en sistemas complejos, Konstantinova dijo. "El enfoque experimental se aplica fácilmente a otros materiales interesantes donde las interacciones entre electrones y redes son de gran interés".
