Los científicos obtuvieron patrones de difracción de electrones ultrarrápidos (UED) antes y después de excitar la muestra de sulfuro de cobre con pulsos de láser ((a), imágenes inferiores y superiores, respectivamente). Los (110) y (120) se refieren a diferentes superficies, o aviones, de la muestra. Los científicos también obtuvieron patrones de difracción de electrones de la monoclínica del material, o baja simetría, fase y su fase hexagonal de alta simetría a través de microscopía electrónica de transmisión ((b), imágenes inferiores y superiores, respectivamente). Los cuadrados abiertos representan picos de difracción que aparecen en ambas fases, mientras que los triángulos abiertos representan picos que solo aparecen en la fase de baja simetría. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Cuando pasa rápidamente las páginas de un folioscopio, la serie de imágenes estáticas parece que se están moviendo. Los científicos aplicaron recientemente un principio similar para capturar cómo cambia la estructura de un material en escalas de tiempo extremadamente cortas:meras billonésimas de segundo o más rápido. Para registrar este movimiento a escala atómica, necesitaban un instrumento especial alojado en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).
"Este ultrarrápido instrumento de difracción de electrones, que tiene haces de electrones con una energía de un millón de electronvoltios, fue diseñado y fabricado en casa, "dijo Jing Tao, un físico en el Departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencia de los Materiales (CMPMS) de Brookhaven Lab y autor correspondiente en el Letras de física aplicada papel que informa el trabajo. "Colaboramos con la instalación de prueba del acelerador del laboratorio para garantizar que la temperatura, humedad, y otras condiciones ambientales se mantuvieron estables y que el instrumento estaba correctamente alineado ".
Los microscopios electrónicos de hoy pueden resolver átomos individuales, pero normalmente solo en tiempos de exposición del orden de segundos. Sin embargo, los átomos se mueven mucho más rápido que eso.
"Estamos analizando la dinámica estructural que ocurre dentro de cientos de femtosegundos a unos pocos picosegundos, "dijo el primer autor Junjie Li, un físico en el Departamento de CMPMS. "Para referencia, un femtosegundo equivale a una cuadrillonésima parte de un segundo ".
En este estudio, los científicos probaron la estructura de los nanocristales de sulfuro de cobre. Por encima de cierta temperatura, El sulfuro de cobre sufre una transición en la que su estructura cristalina cambia de una fase de baja simetría a una de alta simetría. Durante esta transición de fase, sus iones de cobre se vuelven altamente móviles, lo que lo convierte en un material prometedor para dispositivos electroquímicos y termoeléctricos de próxima generación, como baterías e interruptores eléctricos.
Un material puede tomar múltiples caminos cuando se transforma de una fase a otra. Este esquema muestra una transición de fase estructural para un ensamblaje unidimensional de átomos en el que la simetría del cristal se rompe y la red se expande. Justo antes de que llegue el pulso láser (fase 1), hay dos tipos de átomos (círculos verdes y marrones) que están desigualmente espaciados. El pulso impulsa el material de la fase 1 a la 2, en el que los tipos de átomos son los mismos pero la simetría reticular y el espaciado son diferentes. La naranja, magenta, y las flechas azules indican las posibles vías de transición en el dominio del tiempo ultrarrápido. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
"Todas las propiedades de los materiales tienen un origen estructural, ", dijo Tao." Identificar y comprender el mecanismo que impulsa la estructura de un material es clave para mejorar su rendimiento para aplicaciones del mundo real ".
Las propiedades óptimas de los materiales a menudo surgen en las transiciones de fase que implican cambios simultáneos en la simetría del cristal, estructura electronica, y susceptibilidad magnética, lo que dificulta determinar la fuerza principal que impulsa la transición. Experimentos previos realizados por otros grupos demostraron que la transición de fase estructural en el sulfuro de cobre fue causada por una difusión de iones de cobre. Luego, El equipo de Brookhaven descubrió que el aumento o la disminución continua del número de electrones bombeados al material a lo largo del tiempo provocaba que su estructura cristalina oscilara entre las fases de baja y alta simetría a temperatura ambiente.
"Nos sorprendió descubrir que un cambio mínimo en la tasa de dosis de electrones provoca un gran movimiento colectivo de los iones de cobre porque mostró que la transición de fase estructural está de alguna manera relacionada con la manipulación electrónica, "dijo Tao." Sabíamos que debe haber una relación intrínseca, pero no tenía pruebas. La resolución de tiempo de femtosegundos proporcionada por nuestro instrumento nos permitió ver cómo el movimiento de los iones de cobre se correlaciona con los cambios en la estructura electrónica ".
Para iniciar la transición estructural, los científicos "bombearon" el material con pulsos de láser, llevándolo a su estado de energía excitada. Después de retrasos de tiempo bien controlados, luego enviaron pulsos de electrones a través de la muestra y registraron la forma en que se dispersaron los electrones. Los patrones de difracción de electrones resultantes revelaron la estructura cristalina del material en los momentos exactos en que el haz de electrones interactuó con él. Al combinar estas "instantáneas" estructurales tomadas en varios retrasos de tiempo entre el láser y los pulsos de electrones, produjeron una película que captura la forma en que la estructura evoluciona desde el principio hasta el final de la transición de fase.
Al analizar las firmas de difracción de electrones, Li se sorprendió al descubrir que la transición de fase estructural involucró dos procesos separados que tuvieron lugar en escalas de tiempo muy diferentes.
"Descubrí que la simetría del cristal, o cómo se organizan los iones, se rompe en dos picosegundos, y el volumen de la red cristalina se expande de 10 a 20 picosegundos, "dijo Li." Hasta ahora, los científicos habían pensado que la simetría y el volumen cambiaban al mismo tiempo. Debido a una resolución de tiempo insuficiente, solo pudieron tomar una instantánea al comienzo de la transición y otra al final y, por lo tanto, no capturaron lo que estaba sucediendo en el medio ".
Resulta que la escala de tiempo del cambio de simetría del cristal coincide con la de otro proceso:relajación de la portadora electrónica, o el movimiento de electrones desde un estado de energía excitado (inducido por la excitación del láser) al estado fundamental. Dada esta coincidencia, el equipo de Brookhaven cree que las interacciones entre los electrones y los átomos que vibran en la red (fonones) podrían estar detrás de la transición de simetría cristalina.
"El hecho de que ambos procesos sucedan en dos picosegundos sugiere fuertemente que el acoplamiento electrón-fonón gobierna la transición, ", dijo Li." Los científicos piensan que el acoplamiento electrón-fonón juega un papel muy importante en muchos materiales cuánticos y fuertemente correlacionados con propiedades emergentes, por ejemplo, superconductores, que puede transportar electricidad sin resistencia, y multiferroics, que exhiben polarizaciones eléctricas y magnéticas espontáneas. Pero este mecanismo aún no se comprende del todo, incluso después de décadas de investigación ".
Ahora que los científicos tienen el equipo adecuado para capturar la dinámica estructural ultrarrápida, esperan encontrar el origen de las transiciones de fase en otros materiales.
"La comunidad científica dio por sentado que la ruptura de la simetría del cristal y la expansión de la red ocurren juntas, ", dijo Tao." La capacidad de separar estos procesos es un gran avance que nos ayudará a comprender las relaciones estructura-propiedad en una amplia gama de materiales ".
